[发明专利]一种具有离子交换增强层的压电元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电元件。

背景技术

压电元件为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

本发明公开了一种具有离子交换增强层的压电元件，其包括依次层叠的第一电极层、第一压电层、离子交换增强层、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。

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现有技术中包括常用压电聚合物，例如聚偏氟乙烯的压电元件提高4～6％。

附图说明

图1是本发明的具有离子交换增强层的压电元件的结构示意图。

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压电元件及其制造方法。

如图1所示，本发明的具有离子交换增强层的压电元件包括依次层叠的第一电极层1、第一压电层2、离子交换增强层3、第二压电层4和第二电极层5。离子交换增强层3设置在第一压电层2和第二压电层4之间，第一压电层2、离子交换增强层3和第二压电层4设置在第一电极层1和第二电极层5之间，形成五层贴合层叠设置结构。

第一压电层2和第二压电层4的材料均为具有化学结构式（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。