[发明专利]小型压电驻极体功能薄膜制备装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型压电驻极体功能薄膜制备装置，属于功能材料技术领域。

背景技术

压电驻极体piezoelectrets（或称为铁电驻极体ferroelectrets）是一类具有机电能量转换能力（即压电效应）的微孔结构空间电荷驻极体（electrets）材料，是一类人工智能材料。压电驻极体材料的压电效应源于固相基材长期存储空间电荷的能力以及气相微孔洞极易形变的力学性质。与传统的压电晶体、压电陶瓷，或铁电聚合物薄膜（例如PVDF）不同，压电驻极体材料没有固有的电偶极子，也没有取向的固有电偶极子，其固态基材为非极性高分子。图1是压电驻极体材料的微观结构、空间电荷分布，以及压电效应产生原理的示意图。当压电驻极体材料受外力作用时，上下两电极上的感应电荷量发生变化，产生正压电效应；当压电驻极体材料受到加载在上下两电极上的外电场作用时，材料发生形变，产生逆压电效应。

压电驻极体最早出现在1990年前后，它集合了压电陶瓷的强压电效应和铁电聚合物薄膜的柔韧性，因此在各中声电传感器、压力传感器、超声波传感器、低频和高频振动能量采集器、医疗护理、智能交通等领域有广阔的应用前景。

压电驻极体是一类人工智能材料，其制备过程有两个关键步骤：一是微孔结构薄膜的制备；二是电极化。这两个步骤直接关系到压电驻极体薄膜的性能，其中电极化步骤通常采用电晕极化或接触法充电工艺，这两种电极化方法工艺较为成熟；而微孔结构薄膜制备的方法有多种，较为灵活，但各有利弊。传统工艺制备微孔结构聚合物薄膜的方法包括化学发泡工艺，和聚合物-无机微颗粒熔融共混挤出拉伸工艺，其优点是可以连续化生产，缺点是薄膜的微结构难以精确的调控，进而，微孔结构膜的力学性能和储存电荷能力也不能得到有效的控制。近些年来又出现了利用模板制备微孔结构薄膜的新工艺，其特点是通过改变模板的参数、所施压力，以及软质垫板来控制膜的微结构、储电性和力学性能，在某些高温实验条件下软质垫板的热老化会导致微孔薄膜力学性能、储电性和压电性能的改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型压电驻极体功能薄膜制备装置。用该装置可以获得高度有序微孔结构的聚合物薄膜，且薄膜的微结构参数可以灵活调控，进而有效控制压电驻极体功能膜的力学性能、储电性和压电性。

本发明提出的小型压电驻极体功能薄膜制备装置，由两个子薄膜制备装置组合而成，所述子薄膜制备装置由金属座6、腔体7、加热板8、模板9、导管10和真空泵11组成，金属座6的上部设有腔体7，腔体7一侧通过导管10连接真空泵11，腔体7下部设有加热板8，腔体7顶部设有模板9，模板9上放置聚合物薄膜；模板9由模板冲孔12和模板基体13组成，模板基体13呈圆形结构，其上均匀分布有模板冲孔12；两个子薄膜制备装置上下放置，位于其上的聚合物薄膜相对放置，两个聚合物薄膜之间留有一定间隙，位于两个子薄膜制备装置上的模板冲孔12一一对应。

本发明中，所述真空泵11采用旋片式真空泵。

本发明所述装置制备微孔结构压电驻极体薄膜的工艺步骤如下：

（1）首先将一块聚合物薄膜放置在相应的一块模板表面，然后升温至设定的温度1（温度1设定原则：介于该聚合物玻璃化转变温度和熔融温度之间的某一温度），随后用真空泵将腔体抽真空至一定的真空度1，保持这一真空度一定的时间（抽真空时间1），最终聚合物薄膜在模板冲孔处由于温度和压力的作用发生塑性形变，形成与模板结构相对应的，带有图案结构的薄膜1。通过控制温度1、真空度1和抽真空时间1来调控结构薄膜1的微观形貌。

（2）将另一块聚合物薄膜放置在相应的另一块模板表面，采用与上述相同的步骤，在给定的工艺参数温度2、真空度2和抽真空时间2下获得结构薄膜2。

（3）将带有结构薄膜1和结构薄膜2的两个金属座合拢，以一定压力将两片薄膜压在一起，保持一定的真空度的同时升温至温度2，保持一定的时间2使两片薄膜在接触的界面处熔融粘合，而第一块模板和第二块模板冲孔处的薄膜表面由于没有接触而不会发生粘合现象。

（4）冷却至室温，获得多孔结构薄膜。

（5）对上述多孔薄膜进行适当的电极化处理，获得压电驻极体功能薄膜。

（6）利用真空蒸镀、磁控溅射、丝网印刷和层压等方法在压电驻极体功能薄膜的两面覆电极，获得的带有电极的压电驻极体功能膜，带有电极的压电驻极体功能膜可以用于薄膜的压电性能测量和传感器的敏感元件。