聚偏氟乙烯基压电薄膜的研究进展

聚偏氟乙烯基压电薄膜的研究进展

张超  刘智慧 董翰文

淄博职业学院 人工智能与大数据学院，淄博 255000

摘要

随着柔性电子科技的不断发展，柔性电子材料的研究逐渐增多。聚偏氟乙烯（PVDF）基薄膜因具有良好压电和电致伸缩性能，成为目前柔性电子材料的研究热点。基于其压电性能，PVDF基薄膜可以应用于传感、能量收集等领域，基于其电致伸缩性能可用于微驱动领域。然而，目前对于PVDF基复合薄膜的研究依然处于实验室阶段，所制备的样品面积小、重复性差。本文概述了PVDF基薄膜的研究进展，总结了目前最新的应用领域。

前言

电子工业的迅速发展极大地改善了人们的生活水平，电子工业的发展离不开电子材料的支撑。介电弹性体（电活性聚合物）是电子材料的一种，相对于高硬度陶瓷材料，具有柔性好、质量轻、易加工、抗电击穿等优点，可以用作人工皮肤、机器人柔性可穿戴器件制备等领域。以聚偏氟乙烯（PVDF）为代表的介电弹性体同时具有压电性能和电致伸缩性能。基于其压电性能，PVDF可以应用于传感、能量收集等领域，尤其在柔性可穿戴传感器件的制备上具有比压电陶瓷更大的优势。基于其电致伸缩性能（PVDF相对于压电陶瓷具有形变大的优点）可用于微驱动领域，可以用来制备微泵、微阀等。但是，单一的PVDF材料存在诸多缺点，如压电性能差、力学和电学性能受温度影响大、电致伸缩需要的驱动电场大等。为了克服单一材料的不足，PVDF基复合材料成为研究的热点。

随着PVDF基薄膜应用的不断广泛，开发一种可以批量化制备PVDF基薄膜的工艺；研究PVDF基薄膜的多功能耦合作用及相关机理；探索其微观结构、组成、制备工艺与性能之间的关联性；提高薄膜的压电性能、薄膜（力学模量和抗电击穿性能）的温度稳定性；探索薄膜的电致伸缩性能变化规律；对于PVDF基薄膜的应用和推广具有重要意义。这也是目前PVDF基薄膜材料研究亟待解决的问题。

一、纯PVDF薄膜

PVDF是一种具有粘弹性的聚合物，主要包括偏氟乙烯形成的均聚物以及偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体形成的多元共聚物。PVDF均聚物的居里温度在熔点之上，其他二元（P(VDF-TrFE)）、三元（P(VDF-TrFE-TFP)）共聚物的居里温度在熔点之下，其熔点与其组成有关[23]。PVDF属于有机电介质的一种，其介电常数高于一般聚合物介电材料，如聚丙烯（PE）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

二、PVDF基复合薄膜

纯PVDF薄膜的介电常数、压电系数相对较低，为了提高其介电和压电性能，科研工作者将重点集中在了PVDF基复合薄膜的研究上。复合薄膜在设计和制备上体现了材料组成、结构与性能之间的关系，具有单一材料体系不具备的优点。PVDF基复合薄膜材料是在PVDF基体中引入第二相（或多相），通过整合各组元的优势，有效的改善PVDF基体的性能。例如，通过加入石墨烯、碳纳米管等，可以改善PVDF的力学性能，同时提高其介电常数。通过加入高介电常数陶瓷颗粒，可以实现复合薄膜介电常数的提高。另外，压电陶瓷颗粒的加入，可以优化复合薄膜的压电性能，用在传感器、能量收集等领域。相对于其他压电陶瓷，锆钛酸铅（PZT）具有压电系数高、居里温度高、易制备、成本低等优点，是目前应用最广的压电材料。PVDF/PZT复合压电薄膜集合了PVDF和PZT两者的优点，具有质量轻、柔性好、易加工，成本低、压电性能好的特点，多年来一直是研究热点，且是最有希望实现商业化应用的复合压电材料。

三、聚偏氟乙烯基薄膜的应用

基于PVDF基薄膜具有的物理性能（压电性能、电致伸缩性能等），PVDF基薄膜的应用领域主要包含传感、能量收集、微驱动等领域，其他诸如储能、制冷、数据存储]等领域中的应用也有大量报道。

（1）传感

随着柔性可穿戴材料成为研究热点，科研工作者开发出了一系列可以应用的柔性电子材料。PVDF基薄膜经过极化后，具有良好的压电性能，可用于制备柔性传感器。此类传感器在电子皮肤、环境监测、机器人技术和医学中都有潜在的用途。例如，PVDF基柔性传感器可以贴附于人体表面用来对人体的体温、脑电波、心率、血压等健康参数进行持续检测。

（2）能量收集

随着电子产品的小型化、集聚化，整体器件的尺寸不断减小。以传统电池方式的储能存在诸多缺点，如电池需要定期更换、在某些环境下（如水中）更换电池困难等。纳米发电机可以收集微小震动产生的能量，经过电能的整流存储，实现自供能的效果[7, 27]。制备纳米发电机的关键在于新型压电材料的开发。在压电材料中，PVDF基压电材料由于其具有良好的压电性能、高灵活性、良好的加工性和长期稳定性，是最有前途的制备压电纳米发电机的候选材料。PVDF材料通过复合其他材料、设计特殊结构可以实现对周围震动能量收集的提高。

（3）微驱动

在微驱动领域，目前研究较热的是介电弹性体材料。介电弹性体可以在电场激励下产生大幅尺寸的变化，其形变远大于陶瓷材料。PVDF是一种具有铁电性能的介电弹性体，其驱动电压相对较小，且PVDF模量较大，形变后，可以产生较大的背压，目前已经被应用于微流控领域，用来制备微泵、微阀。

结论：

本文总结了目前PVDF基薄膜的研究进展。目前，科研工作者在PVDF基薄膜的制备、压电性能的提升、电致伸缩性能机理探究等方面做了大量工作。但是，依然存在一些问题，诸如：（1）目前对于PVDF基复合薄膜的研究依然处于实验室阶段，所制备的样品面积小、重复性差。（2）PVDF基薄膜的压电性能尚需进一步提高。（3）PVDF基薄膜在电致伸缩性能方面尚有很多机理不明确。（4）关于PVDF基薄膜（力学模量和抗电击穿性能）温度稳定性的研究较少。在实际应用过程中，薄膜力学模量的稳定性对其压电性能（力电转换）的稳定性具有重要影响，而薄膜的抗击穿场强直接决定了可施加在薄膜上的外电场的极限。

参考文献

[1]Ramadan K S, Sameoto D, Evoy S. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers [J]. Smart Materials and Structures, 2014, 23(3):033001.

[2]Yi G, Weiping X, Dong C, et al. All-organic sandwich-structured BOPP/PVDF/BOPP dielectric films with significantly improved energy density and charge-discharge efficiency [J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 458: 141525.

[3]Pan H, Kursumovic A, Lin Y H, et al. Dielectric films for high performance capacitive energy storage: multiscale engineering [J]. Nanoscale, 2020, 12(38): 19582-19591.

[4]Wang H, Han M, Song Y, et al. Design, manufacturing and applications of wearable triboelectric nanogenerators [J]. Nano Energy, 2021, 81:105627.

[5]Wang L, He T, Zhang Z, et al. Self-sustained autonomous wireless sensing based on a hybridized TENG and PEG vibration mechanism [J]. Nano Energy, 2021, 80:105555.

[6]易可望.PVDF基聚合物及其复合材料的介电和压电性能研究[D].中国科学技术大学，2021.

[7]朱荧科.聚偏氟乙烯基聚合物电介质及新型多层结构介电复合材料的制备与性能研究[D].上海交通大学，2020.