[发明专利]压电驻极体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，特别是涉及一种压电驻极体材料及其制备方法。

背景技术

压电驻极体（Piezoelectret）是一类兼具压电特性和驻极体特性的新型机电/电机转换材料。这种材料经强极化电场作用后内部储存有大量空间电荷或取向偶极电荷，当表面镀上金属电极层后，受到外部机械作用而产生弹性形变，电极上感应电荷相应的发生变化，从而在外电路上表现出短路电流或开路电压。这种基于聚合物材料的压电驻极体具有极高的压电系数，同时具有聚合物材料的一般特性，例如质量轻、厚度薄、韧性高、材料柔软易于弯折、适应各种环境、无毒无害环保、可大面积成膜、成本低廉、声阻抗与人体和水相匹配等等。因此，基于压电驻极体材料的诸多优势，其在高端声学、人工智能、生物传感、主动降噪、精密探测、安防医疗等方面的应用前景十分广阔。

压电驻极体综合了传统压电陶瓷和压电聚合物的突出特性，相较于压电陶瓷、压电单晶具有明显的结构优势，而压电系数远大于聚偏氟乙烯（PVDF）及其聚合物等有机压电材料，一般能达到500pC/N以上。

如图1所示，目前，常见的压电驻极体薄膜100经过处理，使其薄膜内部存在闭合的孔洞结构110，闭合的孔洞结构110上下表面分别沉积有正负电荷，且电荷量与孔洞结构110密切相关。但是孔洞结构110限制了两端电荷量，因为当两端电荷量达到一定量时会击穿孔洞结构110中的空气120。也就是说电荷量是有极限的，当极性相反的电荷量达到一定程度时就会发生放电效应，从而限制驻极体薄膜中的电荷储存量。

发明内容

基于此，有必要针对存在闭合的孔洞结构限制了电荷储存量的问题，提供一种压电驻极体材料及其制备方法。

一种压电驻极体材料，包括：

复合膜，包括：

聚合物层，由驻极体材料制成，用于储存电荷，所述聚合物层经过极化后储存的电荷密度大于或等于10^-3C/m³；及

弹性形变层，由弹性材料制成，当所述弹性形变层受到外力时可产生弹性形变，所述弹性材料的弹性模量在0MPa～100MPa范围内；

其中，所述聚合物层与弹性形变层依次层叠；

电极，由导电材料形成，用于连接到压电应用电路中，所述电极包括第一电极及第二电极，所述第一电极及第二电极分别设置于所述复合膜的相对两侧。

在其中一个实施例中，所述聚合物层的驻极体材料选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚丙烯、全氟烷氧基树脂、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯或聚萘二甲酸乙二醇酯中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述弹性形变层的弹性材料选自发泡聚丙烯塑料、聚氨基甲酸酯泡棉、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物泡棉或氯丁橡胶泡棉中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述聚合物层与所述弹性形变层之间还设置有胶层，所述胶层用于粘合所述聚合物层及所述弹性形变层。

在其中一个实施例中，所述导电材料选自金属、金属合金、有机导电材料、无机导电化合物、导电银胶、导电墨水或石墨中的任意一种，所述第一电极及第二电极的厚度为10nm～1000nm。

在其中一个实施例中，所述弹性形变层与所述电极之间还设置有辅助层，所述辅助层用于辅助所述弹性形变层与电极贴合。

一种如以上所述的压电驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

提供由驻极体材料制成的聚合物层及由弹性材料制成的弹性形变层，其中所述弹性材料的弹性模量在0MPa～100MPa范围内；

将所述聚合物层与所述弹性形变层贴合以形成复合膜；

采用电晕极化、电子束极化或辐射极化方法对复合膜进行极化，使聚合物层内部注入电荷，其中电荷密度大于或等于10^-3C/m³；

采用真空镀膜、丝印、银胶刮履、转印、喷印或贴导电膜方式分别在所述复合膜的相对两侧分别履上第一电极及第二电极，所述第一电极及第二电极由导电材料形成。

在其中一个实施例中，所述导电材料选自金属、金属合金、有机导电材料、无机导电化合物、导电银胶、导电墨水或石墨中的任意一种，所述第一电极及第二电极的厚度为10nm～1000nm。

在其中一个实施例中，所述步骤将所述聚合物层与所述弹性形变层贴合以形成复合膜具体地包括以下步骤：

将弹性形变层绷平整；

在所述弹性形变层表面喷涂胶水，所述胶水形成胶层；

将绷平整后的聚合物层覆盖于所述胶层表面后固化，形成所述复合膜。