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如何将PVDF薄膜材料进行电学极化的详解

如何将PVDF薄膜材料进行电学极化的详解

           

PVDF-300型桌式压电薄膜极化装置是一款应用Piezotech 聚合物成型电压极化的装置,输出电压任意可调,输出稳定,效果高,效果好,采用数字化设计,即可加热,又可以加硅油,多种极化方式组合,即极化即测试,配合中科院ZJ-3型精密D33测试仪,实时提供所测样品的数据。

一、产品主要特点:

1、一键式操作,数字化显示,可极化各种PVDF薄膜和压电陶瓷(聚合物由偏氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TRFE)、1,1-氯氟乙烯(CFE)和/或三氟氯乙烯(CTFE)的精选组合制成)

2、输出电压高达2KV,输出功率2W

3、打火保护和短路保护,自动切断电压

4、低温度系数0.001%每摄氏度

5、全数字化操作,效率高,效果好

6、多种极化方式(空气,硅油,加热)

7、 外部电位器或外部控制电压给定

8、 小尺寸,印刷电路板安装

9、 正极性或负极性输出

主要技术参数:

1、PVDF聚合物薄膜样品和PZT压电陶瓷材料

2、区域表面极化,极化尺寸:0-50mm,

3、D33测试:0-8000PC/N

3、电压不小于直流负压极化30KV,常温空气极化,硅油,加热多种方式

4、数字显示收卷速度和收卷长度,收卷线速度恒定可调

5、表面电荷极化后去除臭氧

7、工作电源:AC220V 50/60HZ 额定功率:2.0kw

10、压电材料极化或耐压试验:DC:0-30KV(±5% 连续可调两个字)

11、总电流:10mA

12、每路切断电流:0.5mA

13、定时:1-99min±5%任意设定

14、加热元件:优质电阻丝

16、温度:良好的温度控制方法

17、外形尺寸: 宽1350高1450深1150mm

18、配置ZJ-3和ZJ-6压电测试仪

1、PVDF薄膜材料基本知识:

PVDF(聚偏二氟乙烯)是一种高分子材料,具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性和机械性能,被广泛

泛应用于涂料、薄膜、板材、纤维等领域。

2、PVDF薄膜材料与压电陶瓷的区别

PVDF薄膜主要有二种晶型即α 型和β 型,α型晶体不具有压电性,但PVDF膜经滚延拉伸后,原来薄膜中的α 型晶体变成β 型晶体结构。拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时,材料的极化面就会产生一定的电荷, 即压电效应。

与压电陶瓷和压电晶体相比,压电薄膜主要有以下优点:

(1)质量轻,它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一,粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响,高弹性柔顺性,可以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合,机械强度高,抗冲击;

(2)高电压输出,在同样受力条件下,输出电压比压电陶瓷高10倍;

(3)高介电强度,可以耐受强电场的作用(75V/um),此时大部分压电陶瓷已经退极化了;

(4)声阻抗低,仅为压电陶瓷PZT的十分之一,与水、人体组织以及粘胶体相接近;

(5)频响宽,从10-3Hz到109均能转换机电效应,而且振动模式单纯。

3、压电薄膜材料的性能

1、介电常数

虽然压电薄膜为单晶薄膜或者为择优取向的多晶薄膜,但是在其中的原子堆积却不像在晶体中那样紧密和有序,因此压电薄膜的介电常数值与晶体的数值有差异。除此之外,还有在薄膜中常有的较大的残留内应力以及测量上的原因,也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。

已有研究表明:压电薄膜的介电常数不但与晶体方向有关,而且还依从于测试条件。压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原因,除了内应力大小和测试条件不同以外,海印薄膜成分偏离化学式计量比和薄膜厚度的差别;一般认为,薄膜的介电常数随厚度减薄而变小。另外,压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化也会发生明显的变化。

2、体积电阻率

从降低压电薄膜的介质损耗和弛豫频率来说,都希望它具有很高的电阻率,至少应该ρv≥108Ω•cm。AlN薄膜的电阻率2×1014~1×1015Ω•cm,远高于108Ω•cm,因而在这一方面,AlN是十分优异的薄膜。另外,AlN压电薄膜的电导性随温度的变化也服从1nσ∝1/T规律。

有压电效应的晶体都不具有对称中心,所以其电子迁移率也是各向异性的,电导率也是各不相同的。AlN压电薄膜沿C轴方向的电导率就不同于垂直C轴的方向,前者约小1~2个数量级。

3、损耗角正切

AlN压电薄膜的介质损耗角正切tanδ=0.003~0.005,ZnO薄膜的tanδ则较大,为0.005~0.01。这些薄膜的tanδ之所以有这样大,是由于这些薄膜中除了有电导过程以外,还存在着显著的弛豫现象。

与介质薄膜类似,压电厚膜的tanδ随温度和频率的上升以及湿度的增大,都逐渐增大。另外,在薄膜厚度减少时,tanδ趋向于增大。显然,tanδ随温度的上升是由于电导的变大和弛豫子的增多,它随频率增大时因为时间内弛豫次数增多。

4、击穿强度

因为电介质的击穿场强属于强度参数,而且在薄膜中又难免有各种缺陷,所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性;安电介质的击穿理论,对于完整无缺的薄膜,其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而逐渐增大。但是实际上,因为薄膜中含有不少缺陷,厚度越小时缺陷的影响越显著,所以在厚度减到一定数值时,薄膜的击穿场强反而急剧变小。对薄膜击穿场强,除了薄膜自身的原因外,还有在测试时电极边缘的影响。由于薄膜越厚,电极边缘的电场越不均匀,所以随薄膜厚度的增加,其击穿场强逐渐降低。

除了以几种因素外,介质薄膜的击穿场强还依从于薄膜结构。对于压电薄膜,其击穿场强还依从于电场方向,即它在击穿场强方面也是各向异性的。由于多晶薄膜存在着晶界,所以它的击穿场强低于非晶薄膜;因为类似的原因,择优取向的压电薄膜在晶粒取向方向上的击穿场强,比垂直该方向上的击穿场强较低。

与其他介质薄膜一样,压电薄膜的击穿场强还依从于一些外部因素,如电压波形、频率、温度和电极等。因为压电薄膜的击穿场强与多种因素有关,所以对于同一种薄膜,各有关文献上报道的击穿场强数值常不一致,甚至差别较大,例如ZnO薄膜的击穿场强为0.01~0.4MV/cm,AlN薄膜为0.5~6.0MV/cm。

5、体声波性能

体声波压电转换器的最重要的特性参数是谐振频率f0,声阻抗Za和机电耦合系数K,所以对压电薄膜的声速υ及温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介电、压电和热性能,而且还与压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。在压电薄膜中,由于晶粒的缺陷和应变较多,因而它不是完好的单晶,所以薄膜的物理常数与晶体数值有一点不同。

由于压电薄膜的组织结构与制备工艺密切相关,因而即使对于同一种压电薄膜,各种文献报道的性能数值也常不一致。在所有无机非铁性压电薄膜中,AlN薄膜的弹性常数大,密度却较小,声速最大所以该薄膜最适合于超高频和微波器件。

6、表声波性能

表声波在压电介质中传播时,其质点位移振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速衰减,因此表声波能量主要集中在表面下一两个波长的范围内。

薄膜材料的表声波性能可以表述为下列函数式:

表声波性能=F(原材料,基片,薄膜结构,波模式,传播方向,叉指电极形式,厚度波数积)

因此,对于压电薄膜的任一表声波性能参数,都不能用单一数值表示。压电薄膜的另一个声波性能是传输损耗。因为在表面波器件中压电薄膜也常是兼做传声介质,传输损耗的来源主要是声波在压电薄膜和基片中的散射。

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