如何將PVDF薄膜材料進行電學極化的詳解

           

PVDF-300型桌式壓電薄膜極化裝置是一款應用Piezotech 聚合物成型電壓極化的裝置，輸出電壓任意可調，輸出穩(wěn)定，效果高，，采用數字化設計，即可加熱，又可以加硅油，多種極化方式組合，即極化即測試，配合中科院ZJ-3型D33測試儀，實時提供所測樣品的數據。

一、產品主要特點：

1、一鍵式操作，數字化顯示，可極化各種PVDF薄膜和壓電陶瓷（聚合物由偏氟乙烯（VDF）、三氟乙烯（TRFE）、1,1-氯氟乙烯（CFE）和/或三氟氯乙烯（CTFE）的精選組合制成）

2、輸出電壓高達2KV，輸出功率2W

3、打火保護和短路保護，自動切斷電壓

4、低溫度系數0.001%每攝氏度

5、全數字化操作，效率高，

6、多種極化方式（空氣，硅油，加熱）

7、 外部電位器或外部控制電壓給定

8、 小尺寸，印刷電路板安裝

9、 正極性或負極性輸出

主要技術參數：

1、PVDF聚合物薄膜樣品和PZT壓電陶瓷材料

2、區(qū)域表面極化，極化尺寸：0-50mm,

3、D33測試：0-8000PC/N

3、電壓不小于直流負壓極化30KV，常溫空氣極化，硅油，加熱多種方式

4、數字顯示收卷速度和收卷長度，收卷線速度恒定可調

5、表面電荷極化后去除臭氧

7、工作電源：AC220V 50/60HZ 額定功率：2.0kw

10、壓電材料極化或耐壓試驗:DC：0-30KV（±5％ 連續(xù)可調兩個字)

11、總電流：10mA

12、每路切斷電流:0.5mA

13、定時：1-99min±5％任意設定

14、加熱元件：優(yōu)質電阻絲

16、溫度：良好的溫度控制方法

17、外形尺寸： 寬1350高1450深1150mm

18、配置ZJ-3和ZJ-6壓電測試儀

1、PVDF薄膜材料基本知識：

PVDF(聚偏二氟乙烯)是一種高分子材料，具有良好的耐候性、耐化學腐蝕性和機械性能，被廣泛

泛應用于涂料、薄膜、板材、纖維等領域。

2、PVDF薄膜材料與壓電陶瓷的區(qū)別

PVDF薄膜主要有二種晶型即α 型和β 型，α型晶體不具有壓電性，但PVDF膜經滾延拉伸后，原來薄膜中的α 型晶體變成β 型晶體結構。拉伸極化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或變形時，材料的極化面就會產生一定的電荷， 即壓電效應。

與壓電陶瓷和壓電晶體相比，壓電薄膜主要有以下優(yōu)點：

（1）質量輕，它的密度只有常用的壓電陶瓷PZT的四分之一，粘貼在被測物體上對原結構幾乎不產生影響，高彈性柔順性，可以加工成特定形狀可以與任意被測表面完全貼合，機械強度高，抗沖擊；

（2）高電壓輸出，在同樣受力條件下，輸出電壓比壓電陶瓷高10倍；

（3）高介電強度，可以耐受強電場的作用（75V/um），此時大部分壓電陶瓷已經退極化了；

（4）聲阻抗低，僅為壓電陶瓷PZT的十分之一，與水、人體組織以及粘膠體相接近；

（5）頻響寬，從10-3Hz到109均能轉換機電效應，而且振動模式單純。

3、壓電薄膜材料的性能

1、介電常數

雖然壓電薄膜為單晶薄膜或者為擇優(yōu)取向的多晶薄膜，但是在其中的原子堆積卻不像在晶體中那樣緊密和有序，因此壓電薄膜的介電常數值與晶體的數值有差異。除此之外，還有在薄膜中常有的較大的殘留內應力以及測量上的原因，也導致薄膜的介電常數值不同于晶體的相應數值。

已有研究表明：壓電薄膜的介電常數不但與晶體方向有關，而且還依從于測試條件。壓電薄膜的介電常數有相當大分散性的原因，除了內應力大小和測試條件不同以外，海印薄膜成分偏離化學式計量比和薄膜厚度的差別；一般認為，薄膜的介電常數隨厚度減薄而變小。另外，壓電薄膜的介電常數隨溫度、頻率的變化也會發(fā)生明顯的變化。

2、體積電阻率

從降低壓電薄膜的介質損耗和弛豫頻率來說，都希望它具有很高的電阻率，至少應該ρv≥108Ω?cm。AlN薄膜的電阻率2×1014~1×1015Ω?cm，遠高于108Ω?cm，因而在這一方面，AlN是十分優(yōu)異的薄膜。另外，AlN壓電薄膜的電導性隨溫度的變化也服從1nσ∝1/T規(guī)律。

有壓電效應的晶體都不具有對稱中心，所以其電子遷移率也是各向異性的，電導率也是各不相同的。AlN壓電薄膜沿C軸方向的電導率就不同于垂直C軸的方向，前者約小1～2個數量級。

3、損耗角正切

AlN壓電薄膜的介質損耗角正切tanδ=0.003～0.005，ZnO薄膜的tanδ則較大，為0.005～0.01。這些薄膜的tanδ之所以有這樣大，是由于這些薄膜中除了有電導過程以外，還存在著顯著的弛豫現象。

與介質薄膜類似，壓電厚膜的tanδ隨溫度和頻率的上升以及濕度的增大，都逐漸增大。另外，在薄膜厚度減少時，tanδ趨向于增大。顯然，tanδ隨溫度的上升是由于電導的變大和弛豫子的增多，它隨頻率增大時因為時間內弛豫次數增多。

4、擊穿強度

因為電介質的擊穿場強屬于強度參數，而且在薄膜中又難免有各種缺陷，所以壓電薄膜的擊穿場強有相當大的分散性；安電介質的擊穿理論，對于完整無缺的薄膜，其擊穿場強應該隨薄膜厚度的減小而逐漸增大。但是實際上，因為薄膜中含有不少缺陷，厚度越小時缺陷的影響越顯著，所以在厚度減到一定數值時，薄膜的擊穿場強反而急劇變小。對薄膜擊穿場強，除了薄膜自身的原因外，還有在測試時電極邊緣的影響。由于薄膜越厚，電極邊緣的電場越不均勻，所以隨薄膜厚度的增加，其擊穿場強逐漸降低。

除了以幾種因素外，介質薄膜的擊穿場強還依從于薄膜結構。對于壓電薄膜，其擊穿場強還依從于電場方向，即它在擊穿場強方面也是各向異性的。由于多晶薄膜存在著晶界，所以它的擊穿場強低于非晶薄膜；因為類似的原因，擇優(yōu)取向的壓電薄膜在晶粒取向方向上的擊穿場強，比垂直該方向上的擊穿場強較低。

與其他介質薄膜一樣，壓電薄膜的擊穿場強還依從于一些外部因素，如電壓波形、頻率、溫度和電極等。因為壓電薄膜的擊穿場強與多種因素有關，所以對于同一種薄膜，各有關文獻上報道的擊穿場強數值常不一致，甚至差別較大，例如ZnO薄膜的擊穿場強為0.01～0.4MV/cm，AlN薄膜為0.5～6.0MV/cm。

5、體聲波性能

體聲波壓電轉換器的重要的特性參數是諧振頻率f0，聲阻抗Za和機電耦合系數K，所以對壓電薄膜的聲速υ及溫度系數、聲阻抗和機電耦合系數要求特別嚴格。而薄膜的這些性能不但取決于薄膜內晶粒的彈性、介電、壓電和熱性能，而且還與壓電薄膜的結構如晶粒堆積緊密程度和擇優(yōu)取向程度等密切相關。在壓電薄膜中，由于晶粒的缺陷和應變較多，因而它不是完好的單晶，所以薄膜的物理常數與晶體數值有一點不同。

由于壓電薄膜的組織結構與制備工藝密切相關，因而即使對于同一種壓電薄膜，各種文獻報道的性能數值也常不一致。在所有無機非鐵性壓電薄膜中，AlN薄膜的彈性常數大，密度卻較小，聲速大所以該薄膜適合于超高頻和微波器件。

6、表聲波性能

表聲波在壓電介質中傳播時，其質點位移振幅隨著離開介質表面距離的增大而迅速衰減，因此表聲波能量主要集中在表面下一兩個波長的范圍內。

薄膜材料的表聲波性能可以表述為下列函數式：

表聲波性能=F（原材料，基片，薄膜結構，波模式，傳播方向，叉指電極形式，厚度波數積）

因此，對于壓電薄膜的任一表聲波性能參數，都不能用單一數值表示。壓電薄膜的另一個聲波性能是傳輸損耗。因為在表面波器件中壓電薄膜也常是兼做傳聲介質，傳輸損耗的來源主要是聲波在壓電薄膜和基片中的散射。