[发明专利]一种高横向效应织构化压电聚合物薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电聚合物和压电器件领域，具体涉及一种高横向效应织构化压电 聚合物薄膜及其制备方法。

背景技术

柔性压电材料种类较少，主要是具有铁电性的β相结构含氟聚合物聚偏二氟乙烯 (PVDF)和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))。该类材料因具有重量 轻、柔韧性好、可大面积成膜及低温制备等无机压电材料无法比拟的诸多优点，在 特种声学换能器、传感器、纳米电机和储能系统等中具有广阔应用。聚合物具有多 构型、多构象及部分结晶性等复杂结构特性。织构是指晶体材料的晶格沿着特定方 向择优排列的结构现象，对于结晶性聚合物来说，织构是指分子具有择优取向的结 构。压电聚合物的宏观压电性源于分子偶极的定向排列，因此分子偶极的取向对聚 合物的压电性有至关重要的影响。织构化的聚合物具有很多物理特性，如各向异性。 织构化的压电聚合物在特定方向的压电铁电效应会明显增强，该特性可用于相关器 件性能的优化以及新器件的设计制备。制备织构化或分子择优取向聚合物的方法可 粗略分为三类：机械法(如应力和摩擦转换等)、物理法(如高压电纺丝等)和物 理化学法(如界面作用和控制结晶等)。例如，通过高压电纺丝的物理方法制备的 偶极矩沿轴向择优取向的PVDF纤维可用于制备柔性纳米电机(NanoEnergy，Vol.1， pp.356～371)。然而，压电聚合物在各种换能器和传感器中更多地需制成薄膜使用， 这些机械方法及物理方法不适合很多压电薄膜器件如加速度器等的制备。第三类物 理化学方法具有设备简单、易于操作、易于与器件制作集成等诸多优点，然而该类 方法用于制备织构化压电聚合物薄膜的研究未见报道。

因此，根据性能需要控制分子沿所需方向择优取向的织构化压电聚合物薄膜， 对改善特定方向压电性、提高材料性能及优化器件设计有重要意义。而通过物理化 学方法制备织构化的压电聚合物薄膜，则具有设备简单、操作简便、易于工业化等 优点。

发明内容

本发明提供了一种具有高横向效应的织构化压电聚合物薄膜，可用于改进现有压 电薄膜器件的特定性能和新器件设计制备。本发明还提供了一种通过溶液沉积和非 等温结晶过程控制的高横向效应织构化压电聚合物薄膜的简单制备方法。

本发明提出的高横向效应织构化压电聚合物薄膜，所述的压电聚合物薄膜的厚 度为50nm～2μm，该薄膜由聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物制成，其中所述的聚偏二 氟乙烯-三氟乙烯共聚物中偏二氟乙烯的摩尔含量为50％～82％，优选为65％～80％。

所述的织构化压电聚合物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)溶解在有机溶剂中，得到浓 度为1.0wt％～10.0wt％的溶液，优选为2.0wt％～6.0wt％，其中所述的聚偏二氟乙烯- 三氟乙烯共聚物中偏二氟乙烯的摩尔含量为50％～82％，优选为65％～80％，且所述的 有机溶剂为聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的良溶剂；

(2)将待旋涂压电聚合物薄膜的无机基片或有机基片依次于异丙醇、丙酮、去 离子水或无水乙醇二者之一中超声清洗，也可采用其它常用清洗剂及清洗方式清洗。 然后将清洗后的基片置于匀胶机转盘上，真空吸附固定基片后，用氮气(N₂)吹干 基片，也可采用其它常用惰性气体，如氩气(Ar)等，但不仅限于此；

(3)将步骤(1)中得到的待旋涂溶液滴加至步骤(2)中吹干后的基片上，以 特定旋涂转速和旋涂时间旋涂薄膜，旋涂转速为1000～2000r/min，旋涂时间为30～240 s；

(4)将步骤(3)中旋涂后得到的薄膜样品置于加热台上，在薄膜的熔融温度 (T_m)以上进行退火处理，退火温度为145～160℃，退火时间为15～240min；

(5)退火完毕后，将步骤(4)中所得薄膜立刻放置于室温环境进行冷却，在 此过程中聚合物进行非等温结晶形成具有平躺片晶的高横向效应织构化压电聚合物 薄膜。