如何將PVDF薄膜材料進(jìn)行電學(xué)極化的詳解

           

PVDF-300型桌式壓電薄膜極化裝置是一款應(yīng)用Piezotech 聚合物成型電壓極化的裝置，輸出電壓任意可調(diào)，輸出穩(wěn)定，效果高，，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，即可加熱，又可以加硅油，多種極化方式組合，即極化即測(cè)試，配合中科院ZJ-3型D33測(cè)試儀，實(shí)時(shí)提供所測(cè)樣品的數(shù)據(jù)。

一、產(chǎn)品主要特點(diǎn)：

1、一鍵式操作，數(shù)字化顯示，可極化各種PVDF薄膜和壓電陶瓷（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）的精選組合制成）

2、輸出電壓高達(dá)2KV，輸出功率2W

3、打火保護(hù)和短路保護(hù)，自動(dòng)切斷電壓

4、低溫度系數(shù)0.001%每攝氏度

5、全數(shù)字化操作，效率高，

6、多種極化方式（空氣，硅油，加熱）

7、 外部電位器或外部控制電壓給定

8、 小尺寸，印刷電路板安裝

9、 正極性或負(fù)極性輸出

主要技術(shù)參數(shù)：

1、PVDF聚合物薄膜樣品和PZT壓電陶瓷材料

2、區(qū)域表面極化，極化尺寸：0-50mm,

3、D33測(cè)試：0-8000PC/N

3、電壓不小于直流負(fù)壓極化30KV，常溫空氣極化，硅油，加熱多種方式

4、數(shù)字顯示收卷速度和收卷長(zhǎng)度，收卷線速度恒定可調(diào)

5、表面電荷極化后去除臭氧

7、工作電源：AC220V 50/60HZ 額定功率：2.0kw

10、壓電材料極化或耐壓試驗(yàn):DC：0-30KV（±5％ 連續(xù)可調(diào)兩個(gè)字)

11、總電流：10mA

12、每路切斷電流:0.5mA

13、定時(shí)：1-99min±5％任意設(shè)定

14、加熱元件：優(yōu)質(zhì)電阻絲

16、溫度：良好的溫度控制方法

17、外形尺寸： 寬1350高1450深1150mm

18、配置ZJ-3和ZJ-6壓電測(cè)試儀

1、PVDF薄膜材料基本知識(shí)：

PVDF(聚偏二氟乙烯)是一種高分子材料，具有良好的耐候性、耐化學(xué)腐蝕性和機(jī)械性能，被廣泛

泛應(yīng)用于涂料、薄膜、板材、纖維等領(lǐng)域。

2、PVDF薄膜材料與壓電陶瓷的區(qū)別

PVDF薄膜主要有二種晶型即α 型和β 型，α型晶體不具有壓電性，但PVDF膜經(jīng)滾延拉伸后，原來薄膜中的α 型晶體變成β 型晶體結(jié)構(gòu)。拉伸極化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或變形時(shí)，材料的極化面就會(huì)產(chǎn)生一定的電荷， 即壓電效應(yīng)。

與壓電陶瓷和壓電晶體相比，壓電薄膜主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）質(zhì)量輕，它的密度只有常用的壓電陶瓷PZT的四分之一，粘貼在被測(cè)物體上對(duì)原結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響，高彈性柔順性，可以加工成特定形狀可以與任意被測(cè)表面完全貼合，機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊；

（2）高電壓輸出，在同樣受力條件下，輸出電壓比壓電陶瓷高10倍；

（3）高介電強(qiáng)度，可以耐受強(qiáng)電場(chǎng)的作用（75V/um），此時(shí)大部分壓電陶瓷已經(jīng)退極化了；

（4）聲阻抗低，僅為壓電陶瓷PZT的十分之一，與水、人體組織以及粘膠體相接近；

（5）頻響寬，從10-3Hz到109均能轉(zhuǎn)換機(jī)電效應(yīng)，而且振動(dòng)模式單純。

3、壓電薄膜材料的性能

1、介電常數(shù)

雖然壓電薄膜為單晶薄膜或者為擇優(yōu)取向的多晶薄膜，但是在其中的原子堆積卻不像在晶體中那樣緊密和有序，因此壓電薄膜的介電常數(shù)值與晶體的數(shù)值有差異。除此之外，還有在薄膜中常有的較大的殘留內(nèi)應(yīng)力以及測(cè)量上的原因，也導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)值不同于晶體的相應(yīng)數(shù)值。

已有研究表明：壓電薄膜的介電常數(shù)不但與晶體方向有關(guān)，而且還依從于測(cè)試條件。壓電薄膜的介電常數(shù)有相當(dāng)大分散性的原因，除了內(nèi)應(yīng)力大小和測(cè)試條件不同以外，海印薄膜成分偏離化學(xué)式計(jì)量比和薄膜厚度的差別；一般認(rèn)為，薄膜的介電常數(shù)隨厚度減薄而變小。另外，壓電薄膜的介電常數(shù)隨溫度、頻率的變化也會(huì)發(fā)生明顯的變化。

2、體積電阻率

從降低壓電薄膜的介質(zhì)損耗和弛豫頻率來說，都希望它具有很高的電阻率，至少應(yīng)該ρv≥108Ω?cm。AlN薄膜的電阻率2×1014~1×1015Ω?cm，遠(yuǎn)高于108Ω?cm，因而在這一方面，AlN是十分優(yōu)異的薄膜。另外，AlN壓電薄膜的電導(dǎo)性隨溫度的變化也服從1nσ∝1/T規(guī)律。

有壓電效應(yīng)的晶體都不具有對(duì)稱中心，所以其電子遷移率也是各向異性的，電導(dǎo)率也是各不相同的。AlN壓電薄膜沿C軸方向的電導(dǎo)率就不同于垂直C軸的方向，前者約小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3、損耗角正切

AlN壓電薄膜的介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.003～0.005，ZnO薄膜的tanδ則較大，為0.005～0.01。這些薄膜的tanδ之所以有這樣大，是由于這些薄膜中除了有電導(dǎo)過程以外，還存在著顯著的弛豫現(xiàn)象。

與介質(zhì)薄膜類似，壓電厚膜的tanδ隨溫度和頻率的上升以及濕度的增大，都逐漸增大。另外，在薄膜厚度減少時(shí)，tanδ趨向于增大。顯然，tanδ隨溫度的上升是由于電導(dǎo)的變大和弛豫子的增多，它隨頻率增大時(shí)因?yàn)闀r(shí)間內(nèi)弛豫次數(shù)增多。

4、擊穿強(qiáng)度

因?yàn)殡娊橘|(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)屬于強(qiáng)度參數(shù)，而且在薄膜中又難免有各種缺陷，所以壓電薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有相當(dāng)大的分散性；安電介質(zhì)的擊穿理論，對(duì)于完整無缺的薄膜，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該隨薄膜厚度的減小而逐漸增大。但是實(shí)際上，因?yàn)楸∧ぶ泻胁簧偃毕?，厚度越小時(shí)缺陷的影響越顯著，所以在厚度減到一定數(shù)值時(shí)，薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而急劇變小。對(duì)薄膜擊穿場(chǎng)強(qiáng)，除了薄膜自身的原因外，還有在測(cè)試時(shí)電極邊緣的影響。由于薄膜越厚，電極邊緣的電場(chǎng)越不均勻，所以隨薄膜厚度的增加，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低。

除了以幾種因素外，介質(zhì)薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)還依從于薄膜結(jié)構(gòu)。對(duì)于壓電薄膜，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)還依從于電場(chǎng)方向，即它在擊穿場(chǎng)強(qiáng)方面也是各向異性的。由于多晶薄膜存在著晶界，所以它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低于非晶薄膜；因?yàn)轭愃频脑?，擇?yōu)取向的壓電薄膜在晶粒取向方向上的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，比垂直該方向上的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低。

與其他介質(zhì)薄膜一樣，壓電薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)還依從于一些外部因素，如電壓波形、頻率、溫度和電極等。因?yàn)閴弘姳∧さ膿舸﹫?chǎng)強(qiáng)與多種因素有關(guān)，所以對(duì)于同一種薄膜，各有關(guān)文獻(xiàn)上報(bào)道的擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值常不一致，甚至差別較大，例如ZnO薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為0.01～0.4MV/cm，AlN薄膜為0.5～6.0MV/cm。

5、體聲波性能

體聲波壓電轉(zhuǎn)換器的重要的特性參數(shù)是諧振頻率f0，聲阻抗Za和機(jī)電耦合系數(shù)K，所以對(duì)壓電薄膜的聲速υ及溫度系數(shù)、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)要求特別嚴(yán)格。而薄膜的這些性能不但取決于薄膜內(nèi)晶粒的彈性、介電、壓電和熱性能，而且還與壓電薄膜的結(jié)構(gòu)如晶粒堆積緊密程度和擇優(yōu)取向程度等密切相關(guān)。在壓電薄膜中，由于晶粒的缺陷和應(yīng)變較多，因而它不是完好的單晶，所以薄膜的物理常數(shù)與晶體數(shù)值有一點(diǎn)不同。

由于壓電薄膜的組織結(jié)構(gòu)與制備工藝密切相關(guān)，因而即使對(duì)于同一種壓電薄膜，各種文獻(xiàn)報(bào)道的性能數(shù)值也常不一致。在所有無機(jī)非鐵性壓電薄膜中，AlN薄膜的彈性常數(shù)大，密度卻較小，聲速大所以該薄膜適合于超高頻和微波器件。

6、表聲波性能

表聲波在壓電介質(zhì)中傳播時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨著離開介質(zhì)表面距離的增大而迅速衰減，因此表聲波能量主要集中在表面下一兩個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

薄膜材料的表聲波性能可以表述為下列函數(shù)式：

表聲波性能=F（原材料，基片，薄膜結(jié)構(gòu)，波模式，傳播方向，叉指電極形式，厚度波數(shù)積）

因此，對(duì)于壓電薄膜的任一表聲波性能參數(shù)，都不能用單一數(shù)值表示。壓電薄膜的另一個(gè)聲波性能是傳輸損耗。因?yàn)樵诒砻娌ㄆ骷袎弘姳∧ひ渤Ｊ羌孀鰝髀暯橘|(zhì)，傳輸損耗的來源主要是聲波在壓電薄膜和基片中的散射。