CN102983270A - 一种聚合物功能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物功能器件，包括依次层叠的第一电极层、第一压电层、第一过渡层，离子交换增强层、第二过渡层、第二压电层和第二电极层，其中，第一电极层与第二电极层具有不同的功函数，离子交换增强层包含离子交换增强材料和纳米导电颗粒；第一过渡层和第二过渡层为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。本发明以新颖的压电聚合物材料形成压电层，其电致伸缩应变比现有技术中常用的压电聚合物的压电元件提高5～7％。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能器件。
背景技术
功能器件得到人们越来越多的研究和使用。压电元件作为一种常用功能器件，其将压力转换为电信号的元件，其包括压电材料层以及位于该压电材料层两侧的电极层。当在该压电元件表面施加压力时，可在该两电极层检测到相对应的电信号输出。该压电材料层由具有压电效应的材料制成，现有技术中较为常用的压电材料为压电陶瓷，如钛酸钡、钛酸铅及镐钛酸铅等，以及压电聚合物，如聚偏氟乙烯( PVDF)等。
聚偏氟乙烯及其共聚物作为最常见的有机压电聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。但其致动能力低下，在150MV/m 电场下，其电致伸缩应变仅为7%。因此，本领域研究人员希望找到提高电致伸缩应变的可以代替聚偏氟乙烯的压电聚合物，提高压电器件的性能。
发明内容
本发明公开了一种聚合物功能器件，其包括依次层叠的第一电极层、第一压电层、第一过渡层，离子交换增强层、第二过渡层、第二压电层和第二电极层，其中，
第一电极层与第二电极层具有不同的功函数，离子交换增强层包含离子交换增强材料和纳米导电颗粒；离子交换增强材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇，纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒；第一过渡层和第二过渡层为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇；
压电层由压电聚合物和粘结剂混合形成；
该压电聚合物为具有化学结构式（I）的材料；
其中
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和
G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
本发明的有益效果是：以新颖的压电聚合物材料形成压电层，制备得到了新颖的压电元件。该压电元件通过具有不同功函数的金属与压电聚合物相互层叠，当受到压力作用时，该压电层与第一电极层和第二电极层具有不同的肖特基接触，从而产生电势差。该压电元件的电致伸缩应变比以聚偏氟乙烯作为压电聚合物的压电元件提高5～7％。
附图说明
图1是本发明的聚合物功能器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明的技术方案，以下将结合附图详细说明本发明的聚合物功能器件及其制造方法。
如图1所示，本发明的聚合物功能器件包括依次层叠的第一电极层1、第一压电层2、第一过渡层3、离子交换增强层4、第二过渡层5、第二压电层6和第二电极层7。离子交换增强层4设置在第一过渡层3和第二过渡层5之间，从离子交换增强层4的一个表面由内向外依次是第一过渡层3、第一压电层2和第一电极层1，从离子交换增强层4的另一个表面由内向外依次是第二过渡层5、第二压电层6和第二电极层7，形成七层贴合层叠设置结构。
第一压电层2和第二压电层6的材料均包括具有化学结构式（I）的材料；
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
优选地，n和m各为5到600的整数，更优选n和m各为10到300的整数。
优选地，p为0或1到300的整数，更优选p为5到150的整数。
优选地，X和Z各为经取代或未经取代的C6-C40芳香族单元或脂肪族单元。
优选地，Y为经取代或未经取代的C3-C20脂肪族单元；优选地，Y为经取代或未经取代的C4-C12烃链或C4-C12双氧烷基，更优选地，Y为双氧丁基。
优选地，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C6脂肪族基，更优选为经取代或未经取代的甲基、乙基、丙基、丁基、甲氧基、乙氧基或丙氧基，更优选为甲基。
第一压电层2和第二压电层6还可以包含少量粘结剂，使得压电层更好的与电极层以及离子交换增强层相结合并成型。该压电聚合物材料占压电层2总质量的90％以上，优选为95％以上。
在一个实施例中，该压电层2包括占总重量比97％的压电聚合物材料，以及占总重量比3％的粘结剂。
在一个实施例中，该粘结剂为PAN。该压电聚合物层2的厚度为10～300微米，优选为100～200微米。在一个实施例中，该压电聚合物层2的厚度约为150微米。
离子交换增强层4是采用离子交换增强材料得溶液固化成型制得，离子交换增强溶液是在离子交换增强材料中均匀添加纳米导电颗粒；
离子交换增强材料优选为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
第一过渡层3和第二过渡层5均为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。其厚度优选为15～20微米。
形成第一电极层1的金属的功函数与形成第二电极层5的金属的功函数不相等。优选地，第一电极层1的金属的功函数与第二电极层5的金属的功函数差别较大，优选相差0.5eV以上。具有不同功函数的第一电极层1与第二电极层5与第一压电层2以及第二压电层4相互层叠，当受到压力作用时，压电层内部产生电荷分离，由于该压电聚合物材料与不同功函数的金属具有不同的肖特基接触，从而产生电势差及电流。第一电极层1与第二电极层5的金属的功函数差别越大，则产生的电势差越大。由于在第一压电层2和第二压电层4之间设置了离子交换增强层3，可以显著提高电势差及电流。
优选地，第一电极层1与第二电极层3的材料可以为铝/铜(Al/Cu)，铝/镍(Al/Ni)、铝/金(Al/Au)、锌/金(Zn/Au)的组合。在一个实施例中，第一电极层1的材料为Al，其功函数4.28eV，第二电极层3的材料为Au，其功函数5.1eV。
第一电极层1及第二电极层3可以均为金属箔片或金属薄膜，或分别为金属箔片及金属薄膜。该金属箔片可与该压电聚合物层2相压合，该金属薄膜可通过电镀或沉积等方法直接形成于该压电聚合物层2的表面。该金属箔片的厚度优选为200～1000微米。该金属薄膜的厚度优选为10～200微米。在一个实施例中，第一电极层1及第二电极层3均为厚度约为0.5毫米的金属箔片。
本发明第一实施例提供一种聚合物功能器件，尤其是聚合物压电元件的制造方法，其包括以下步骤：
第一，准备压电聚合物材料，并将该压电聚合物材料在160～190℃加热1小时至5小时，使其受热分解。优选地，加热温度为180℃，加热时间为3小时。
第二，将该压电聚合物与粘结剂及挥发性溶剂混合形成一浆料。该压电聚合物与该粘结剂以质量比为90∶10至99∶1的比例混合，优选为97∶3。该挥发性溶剂使该浆料具有一定的流动性，易于涂膜。该挥发性溶剂可以为乙醇、甲醇或丙酮等有机溶剂。本实施例中，将9.7克该压电聚合物与0.3克丙烯腈，并加入10毫升二甲基甲酰胺，在研钵中充分混合均匀。
第三，将该浆料涂覆于第一电极层1表面，形成第一压电层2。该压电层2的厚度优选为10～300微米。本实施例中，可以使用刮刀将所述浆料涂覆于铝箔表面，所形成的第一压电层2的厚度约为150微米。
第四，干燥该第一压电层2，使溶剂挥发。具体地，可将第一电极层1连同该第一压电层2放置于一烘箱中加热干燥。该烘箱的温度可以为40℃～80℃，干燥时间可以为2～5小时。本实施例中，干燥温度为50℃，干燥时间为4小时。
第五，在第一压电层2表面涂覆第一过渡层3，第一过渡层3的材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。具体地，将聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇配制成溶液后涂覆在第一压电层2表面，干燥。
第六，在该第一压电层2表面涂覆离子交换增强层4。配制离子交换增强层的方法是：将离子交换增强材料和溶剂混合，溶剂优选为乙醇或水，得到向质量百分比浓度为25～50%的离子交换增强材料溶液，超声震荡去除溶液中的气泡，将纳米导电颗粒加入溶液中，其中加入的纳米导电颗粒所占质量百分比优选为6～10%，超声震荡分散均匀得到离子交换增强溶液，其中超声震荡时间优选为200～500分钟。
第七、在离子交换增强层4表面涂覆第二过渡层5，第二过渡层5的材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。具体地，将聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇配制成溶液后涂覆在离子交换增强层4表面，干燥。
第八，将上述第二步中混合的浆料涂覆于第二过渡层5表面，形成第二压电层6。该第二压电层6的厚度优选为10～300微米。本实施例中，可以使用刮刀将所述浆料涂覆于铝箔表面，所形成的第二压电层6的厚度约为150微米。
第九，干燥该第二压电层6，使溶剂挥发。具体地，可将上述叠层结构放置于一烘箱中加热干燥。该烘箱的温度可以为40℃～80℃，干燥时间可以为2～5小时。本实施例中，干燥温度为50℃，干燥时间为4小时。
第十，将第二电极层7覆盖于该第二压电层6表面并相互压合。本实施例中，第二电极层7为金箔。具体地，可将第二电极层7覆盖在该第二压电层6表面后，使用轧辊使第一电极层1、第一压电层2、第一过渡层3、离子交换增强层4、第二过渡层5、第二压电层6以及第二电极层7紧密贴合。
将通过第一实施例的方法形成的压电元件接入一回路中测试该压电元件的压电效应，其中，该回路的负载电阻R为4.0×106欧姆(Ω)，该压电元件的大小为20×20毫米。当该压电元件表面受到的压力随时间逐渐增大时，可测得该负载电阻R两端的电压值不断增大，具体数据如表1所示。该压力持续一段时间后，该电压值极为缓慢的下降，并可持续达数小时以上。当压力增大或减小时，该电压随压力的变化而迅速变化。当受到压力分别为4千牛及60千牛时，该压电元件的输出功率为0.9nW及8nw。
表1
该器件通过具有不同功函数的金属与压电聚合物层相互层叠，当受到压力作用时，该压电聚合物内部产生电荷分离，由于其与不同功函数的金属具有不同的肖特基接触，从而产生电势差及电流。经实验测定，该压电元件的电致伸缩应变比以聚偏氟乙烯作为压电聚合物的压电元件提高5～7％。
本发明的聚合物压电器件可以用于超声传感器、生物医学传感器以及换能器等，在机械、医疗、竣工方面具有广阔的应用前景。
可以理解，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，本领域技术人员在本发明精神内可以对其做出各种变型或，这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种聚合物功能器件，其特征在于，所述聚合物功能器件包括依次层叠的第一电极层、第一压电层、第一过渡层，离子交换增强层、第二过渡层、第二压电层和第二电极层，其中，
第一电极层与第二电极层具有不同的功函数，离子交换增强层包含离子交换增强材料和纳米导电颗粒；离子交换增强材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇，纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒；第一过渡层和第二过渡层为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇；
压电层由压电聚合物和粘结剂混合形成；
该压电聚合物为具有化学结构式（I）的材料；
其中
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和
G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，n和m各为5到600的整数。
3.如权利要求1或2所述的聚合物功能器件，其特征在于，n和m各为10到300的整数。
4.如权利要求1所述的聚合物功能器件，其特征在于，p为0或1到300的整数。
5.如权利要求1或4所述的聚合物功能器件，其特征在于，p为5到150的整数。
6.如权利要求1所述的聚合物功能器件，其特征在于，X和Z各为经取代或未经取代的C6-C40芳香族单元或脂肪族单元。
7.如权利要求1或6所述的聚合物功能器件，其特征在于，X和Z为经取代或未经取代的C4-C12烃链或C4-C12双氧烷基。
8.如权利要求1所述的聚合物功能器件，其特征在于，Y为双氧丁基。
9.如权利要求1所述的聚合物功能器件，其特征在于，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C6脂肪族基。
10.如权利要求1或9所述的聚合物功能器件，其特征在于，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的甲基、乙基、丙基、丁基、甲氧基、乙氧基或丙氧基。
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| CN101063035A (zh) * | 2006-04-29 | 2007-10-31 | 长兴化学工业股份有限公司 | 有机发光材料和其用途 |
| JP2010165770A (ja) * | 2009-01-14 | 2010-07-29 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc | 有機圧電体、有機圧電材料、超音波振動子および超音波探触子 |
| US20110021918A1 (en) * | 2008-08-11 | 2011-01-27 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc. | Organic piezoelectric material film, method for production of organic piezoelectric material film, method for production of ultrasonic oscillator, and ultrasonic medical imaging instrument |
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2012
- 2012-11-20 CN CN201210472738.9A patent/CN102983270B/zh active Active
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| CN113597192A (zh) * | 2020-04-30 | 2021-11-02 | 维沃移动通信有限公司 | 一种电子设备 |
| CN113597192B (zh) * | 2020-04-30 | 2024-02-02 | 维沃移动通信有限公司 | 一种电子设备 |
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