PVDF压电薄膜性能以及应用 PVDF树脂主要是指偏氟乙烯均聚物或者偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体的共聚物，PVDF树脂兼具氟树脂和通用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能，是目前含氟塑料中产量名列第二位的大产品，全球年产能超过4.3万吨。目前，已测得PVDF的晶型有5种 。相、β相、γ相、ε相及ρ相。各种晶体结构的生成取决于加工条件，在一定条件(如拉伸、极化、浇注等处理方法)下，这些晶相之间可以互相转变。α相是5种晶型中能量最低，最稳定的结构，PVDF由液态缓慢冷却或由溶液流延形成薄膜时，通常都形成α相。经过拉伸、电极化后形成的日相PVDF显示出强的压电、热释电性质。PVDF具有较宽的工作温度范围，其体电阻高、质量轻、柔顺性好，且机械强度高、频响宽。
PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。o PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用。PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；PVDF压电膜优点如下：(1) 良好的工艺性。可用现有设备进行加工；(2) 能制作大面积的敏感元件；(3) 频带响应宽(0～500MHz)；(4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；(5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)；(6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；(7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值；(8) 与压电陶瓷相比有更低的导热性； 并能制得更薄的薄膜；(9) 柔软坚韧(PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍,并且轻(比重只有PzT的1/4左右)； 能制成所需的各种较复杂的形状(锥形、穹顶形等)，可使用在需要具有特殊定向的元件中。 总的来说：PVDF压电膜比石英、PzT等具有压电常数大，频响宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，声阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等特点。它不仅在许多领域中可替代压电陶瓷材料使用，而且还可以应用在压电陶瓷材料不能使用的场合。因此它是一种极有发展前途的换能性高分子敏感材料。 PVDF压电薄膜由于其具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。
PVDF压电薄膜在以下领域都有很多的应用：
（一）医学测量方面 PVDF压电薄膜的出现为医学检查问题的解决提供了一种新的途径。利用 PVDF薄膜具有机械柔性的特点, 开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器，用于对敏感性组织的力和顺应性进行测量，为医学上敏感组织的力和顺应性测量提供了一种参考方法。还有科学家研制了一种新型佩戴式心肺信号传感器设备, 用于检测在家庭环境中, 睡眠时的心肺信号。传感器设备由一对导电织物薄板和PVDF薄膜组成的传感器用于进行信号采集， 并设计了特殊的电路，信号经 USB通信模块与计算机传递信息并进行数据处理分析，结果显示开发的带状传感器系统显示了更大的潜力，有能力代替商业呼吸记录仪和心电图传感器。 （二）触觉测量方面 触觉传感器的研究一直是现代自动化机器人研究的重点， 最近模拟人手感觉工作的 PVDF触觉传感器已用在机器人研究上。当 PVDF压电薄膜受力后产生电荷, 按电荷量的大小和分布来判别物体的形状, 能与机器人的抓取系统协调工作[4]。用 PVDF压电薄膜做成 8 × 8的触觉传感器， 测量的信号经过 DSP的数字化处理和滤波处理，信号传输给个人电脑并进行可视化处理，被测量物体的形状和力的分布状况实时由二维或三维图象给出。
（三） 力学测量方面
由于 PVDF压电薄膜具有很强的压电性能，其压电常数 d比石英高 10多倍， 压电参数 g的值比 PZT高约 20倍, 在力学测量方面的研究成为基本的方向之一。如利用 PVDF压电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性，它的最直接的应用就是测量结构的应变：将 4片方型 PVDF压电薄膜片粘贴在梁上, 测量其应变, 并将其转换成结构的声强来作为误差信号, 对梁的振动进行主动控制。
（四）能量采集方面 能源问题是当前的一个重要课题，现在,人们正在研究利用 PVDF薄膜对各种能量进行采集和转换。如利用压电薄膜 PVDF制作的换能器, 将PVDF薄膜植入动物体内， 使动物呼吸产生的机械能转换为电能。多种将环境中的振动能量收集装置正在研发之中。如收集波能的理念用PVDF薄膜制作换能器，从小溪、河流或者管道的流水中转化为电能， 对遥远地区的涓流充电电池进行供电。通过将压电元件置入鞋跟,将步行的能量进行收集的装置已被开发了。 （五）结构模态测量方面 由于 PVDF压电薄膜有其特殊的积分特性，利用 PVDF压电薄膜对结构体的结构模态测量研究也是人们感兴趣的方向之一。利用方型PVDF压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上可以测量其固有频率、振型和模态阻尼比。]基于模态测试的原理，使用 PVDF压电薄膜形状传感器来测量弯曲振动梁表面的应变，作为模态滤波器。 自从上世纪 80年代我国研制 PVDF薄膜以来，我国各大高校和科研院所都展开了 PVDF压电传感器的研究工作。近年来, 随着国内经济的迅速发展， PVDF薄膜传感器的研究已经取得了突飞猛进的发展，部分研究已经实现产品化。我相信，在未来PVDF压电薄膜的发展与应用会有更进一步的发展。 |
