PVDF材料制作水压接收器研究

　　水压接收器是水压引信的核心部件,是信号提取系统的关键所在。现在采用的接收器的品种繁多,如压电式压力传感器、应变式压力传感器、压阻式压力传感器以及电化学压力传感器等,这些都被作为能输出连续水压场信号的传感器而使用过。从原则上讲,只要能接收水的压力变化并能输出对应变化的电荷信号,不同原理的压力传感器都是可以作为水压引信接收器使用的[1]。目前,使用最多的是压电式水压引信接收器,压电式接收器中的压电元件通常采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷(PZT-5)。它有许多优点,但也存在许多缺点。PVDF是Polyvinylidene fluoride的缩写,化学名称为聚偏二氟乙烯,是一种有机高分子功能的压电材料。它是由许多单体偏二氟乙烯CH2=CF2聚合而成的高分子聚合物,是压电陶瓷很好的替换材料[2]。但这种材料是否适合制作水压接收器,还必须进行深入研究。

　　1 PVDF材料的特性

　　PVDF材料与其他压电材料相比,具有明显的优点。表1为5种压电材料的对比数据[3]。

　　从表1中可以看出,PVDF压电薄膜的密度和声阻抗是所有压电材料中最小的,而压电应力常数又是所有压电体材料中最高的。同压电陶瓷相比,PVDF具有优良的柔软性、压电效应和热释电性,还具有轻薄、高韧度、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂的表面、价格便宜、频带宽等特点,有很好的时间和温度稳定性。所以,它很适合作为水压接收器使用的材料。

　　1.1 PVDF的压电特性

　　制作水压接收器,最重要的是要了解材料的压电特性。压电性是介质材料受到一定应力作用时表面形成电荷的功能,它是弹性与介电性耦合的结果。只有强极性聚合物经极化后,才会显示出明显的压电性。聚合物的偶极矩对压电性的产生具有重要作用。PVDF是目前已发现的压电性最强的聚合物,也是至今研究得最为系统的压电聚合物。

　　PVDF是半晶态的极性高聚合物,目前已确定的有A、B、C、D共4种晶形。由于高聚合物材料的柔软性和多相异质性,PVDF的压电性来自多种响应机理,可归结为薄膜厚度变化、B晶体维度变化、电偶极矩松弛和电极伸缩。A相主要存在于熔融的PVDF中,分子链呈螺旋形无规则排列,分子中总的偶极矩为0,是非极性晶体,不显示压电性。B相是一种铁电体相,存在于拉伸取向的PVDF中,属斜方晶系,分子链呈规则排列,故自发极化大,取向后的PVDF的介电常数从6~8提高到11~14,所以B型PVDF是极性晶体,具有较高的压电性。PVDF的压电、热释电系数与材料中B相含量有着正比的关系。C和D型也是极性晶体,但极性次于B型。PVDF材料可用热成形法加工成膜状、管状和粒状,其中以薄膜状用得较多。当PVDF聚合物从融熔状态冷却时,主要生成A相PVDF晶体,无压电效应,但经拉伸和高压极化后,形成B相,具有很强的压电效应。B晶型结构是极性晶体,当受外力作用时,薄膜变形,极性晶体发生位移,它在膜的两极产生的感生电荷不再平衡,即宏观上产生压电效应。当薄膜吸收到热能,其温度升高时,极化面会产生相应数量的电荷,在材料的二端可获得电压输出,称热释电性效应。当薄膜释放热能时,产生的电压极性相反。PVDF压电性、热释电性的起源是微晶中的极化反转。