一種液體芯壓電聚合物器件及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種液體芯壓電聚合物器件及其制備方法和應用，屬于壓電材料技術領域。
【背景技術】
[0002]PVDF (聚偏氟乙烯)是一種具有高介電常數(shù)的聚合物材料，具有良好的化學穩(wěn)定性和溫度特性、優(yōu)良的機械性能加工性，并且對提高粘結性能有積極作用。壓電復合材料在近年發(fā)展較快，所謂壓電復合材料就是將顆粒、薄片或纖維等不同的形狀和特性的壓電材料(如壓電陶瓷)，以特定的連通途徑鑲入聚合物的基體中，形成兩相或多相復合體。PVDF壓電復合材料的發(fā)展，克服了壓電陶瓷自身的脆性，因而更加受到重視，并且PVDF壓電纖維的使用保持了壓電陶瓷的主要剛度和頻帶帶寬，并且可將其用于扭轉控制領域；壓電纖維和基體的優(yōu)勢互補，增強了作動器的抗破壞性能。用柔性壓電復合材料做成的傳感器被廣泛應用于水聲和醫(yī)用超聲傳感器，其靈敏度和力學性能很好。
[0003]PVDF壓電聚合物大多是以板狀、薄膜狀或是纖維狀的形式出現(xiàn)，薄膜狀的PVDF研究已經(jīng)很多，且比較成熟，而纖維狀的PVDF壓電聚合物的研究還比較滯后，這主要是由于制備比較困難。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對壓電陶瓷等壓電器件柔性較差、易碎的局限，突破性的運用聚偏氟乙烯(PVDF)這一壓電材料具有高柔性、不易碎等性能，提供一種液體芯壓電聚合物器件及其制備方法和應用。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種液體芯壓電聚合物器件，其特征是，該器件外表面涂有表面電極，器件內部至少設有一個空腔，空腔內設有導體，導體由導電液體構成或者由絕緣液體與金屬絲構成。
[0006]所述表面電極涂滿整個器件外表面或為多個對稱布置的電極。
[0007]該器件材料為壓電聚合物PVDF或P (VDF-Tree)。
[0008]所述表面電極材料為金屬層、導電膠、導電銀漿或炭黑。
[0009]所述導電液體為氯化鈉溶液、氯化鈉溶液加銀粉、炭黑溶液中的一種或幾種。
[0010]該器件的一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金屬絲塞住，再用柔性膠密封，密封金屬絲外徑與空腔內徑相等，并與空腔內導體導通。
[0011]該器件沿長度方向的橫截面形狀為圓形、多邊形、卵形、橢圓形中的一種或幾種。
[0012]該器件為圓錐體、球體、橢球體或多面體。
[0013]液體芯壓電聚合物器件的制備方法，其特征是，在圓柱形壓電纖維外表面涂覆表面電極，然后將其在100°C的硅油中極化一小時，并隨硅油冷卻至常溫；極化成功后，抽去壓電纖維的金屬芯，在被抽去金屬芯的空腔內設置導體，導體由導電液體構成或者由絕緣液體與金屬絲構成，最終制得該器件； 該器件的一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金屬絲塞住，再用柔性膠密封，密封金屬絲與空腔內導體導通，其外徑與空腔內徑相等；
所述導電液體為氯化鈉溶液、氯化鈉溶液加銀粉、炭黑溶液中的一種或幾種；所述表面電極涂滿整個器件外表面或為多個對稱布置的電極；所述表面電極材料為金屬層、導電膠、導電銀漿或炭黑。
[0014]液體芯壓電聚合物器件的應用，其特征是，該器件端部的密封金屬絲作為一個電極引出，表面電極作為另一個電極引出，將器件固定在夾具上，并連接到電荷放大器的輸入端，將電荷放大器的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡連接，再將數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接；
而后對該器件外加載荷，該器件受到載荷發(fā)生變形時，會有電荷產(chǎn)生，用電荷放大器將這些電荷信號收集放大后輸出到數(shù)據(jù)采集卡中，通過電腦對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，即可得出所加載荷的屬性。
[0015]纖維狀的PVDF壓電聚合物可分為含芯和不含芯兩種，含芯PVDF纖維內芯可分為金屬芯和液體芯，而液體芯又可分為導電液體和不導電液體(不導電液體內加入細金屬絲作為另一個電極)。本發(fā)明的纖維狀的PVDF壓電聚合物器件為液體芯結構，在形狀上也多種多樣，該器件沿長度方向具有大小相同或不相同的橫截面，如圓形、多邊形、卵形、橢圓等，還可根據(jù)特定要求來改變形狀和大小，滿足諸如仿生、國防等各種方面的要求。
[0016]本發(fā)明中在液體芯PVDF纖維可在PVDF纖維表面對稱涂布電極(或全電極)后對其進行極化，電極可分為雙電極或多電極，其比含金屬芯的PVDF纖維更加柔軟，且能做成尺寸很小的纖維(直徑小于10微米)，在仿生領域有很廣泛的應用前景。壓電材料在受到外部載荷產(chǎn)生變形的時候，內部會有電荷產(chǎn)生，通過對這些電荷的采集、分析可以得出載荷的相關屬性。
[0017]本發(fā)明中，在拉制成功的圓柱形壓電纖維表面涂滿電極或者部分涂滿表面電極(均勻分布兩個或者四個電極)，壓電聚合物器件的腔內注滿或部分填充導電液體或者絕緣液體(注:絕緣液體的腔內加入細金屬絲作為電極)，此時腔內導體和表面電極構成了一對電極，內部液體芯或者細金屬絲作為一個電極，表面電極作為另外一個電極。
[0018]本發(fā)明中壓電聚合物器件的特點如下:
第一，結構多樣化。本發(fā)明的壓電聚合物器件設計較新穎，根據(jù)該聚合物易熔化易定型特點，在模具的幫助下，可將該聚合物制成多種結構的器件，如橫截面形狀為圓形、多邊形、卵形、橢圓等，以滿足不同條件下對器件形狀和性能的要求，特別是可以用在仿生領域和軍工領域，比如模擬昆蟲的平衡棒以及作為水聽器使用。
[0019]第二，柔性很好。本發(fā)明的壓電聚合物器件突破了壓電陶瓷脆性高、易裂的局限，一般壓電陶瓷，雖然壓電常數(shù)高，施加變形之后產(chǎn)生的電荷數(shù)多，但是壓電陶瓷柔性很差，不適用與柔性較大的基體的測量，并且壓電陶瓷尺寸一般偏大，埋入基體可能會對基體的性能產(chǎn)生影響，而本發(fā)明的壓電聚合物器件最細可以做到直徑1um左右，且柔性很好，將對基體性能影響降低到最小。
[0020]第三，充分利用液體的流動性。一般的壓電聚合物器件在旋轉的過程中不能準確測量，而本發(fā)明充分利用液體流動性好的特點，當壓電聚合物器件旋轉的時候，液體始終在重力的影響下處于和旋轉前相同的狀態(tài)，可用于重力傳感等方面。
[0021]該壓電聚合物器件在使用時，將壓電纖維表面電極引出，密封金屬絲作為另外一個電極引出。外加載荷后，由于材料的壓電性，壓電纖維器件在受到載荷發(fā)生變形的時候，將會有電荷產(chǎn)生，用電荷放大器將這些電荷信號收集放大后輸出到數(shù)據(jù)采集卡中，將數(shù)據(jù)采集卡和電腦相連，通過電腦上的軟件采集這些數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，由此可以得出載荷的諸如大小和方向等的屬性。通過改變該器件的外形和內部構造，可以應用于不同領域或者不同物體上。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明纖維狀結構示意圖；
圖2是本發(fā)明球狀結構示意圖；
圖中:1表面電極、2絕緣液體、3金屬絲、4 PVDF材料、5密封金屬絲、6導電液體、7金屬芯。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
以纖維狀壓電聚合物器件為例，如圖1所示。
[0024]一種液體芯壓電聚合物器件，該器件材料為壓電聚合物PVDF，其外表面涂有表面電極1，表面電極材料為金屬層、導電膠、導電銀漿或炭黑。表面電極涂滿整個器件外表面(全電極)或為多個對稱布置的電極(半電極)，圖1描述的是對稱的四電極結構。
[0025]器件內部至少設有一個空腔，空腔內設有導體，導體為絕緣液體2與金屬絲3構成。該器件為圓錐體、球體、橢球體或多面體，其沿長度方向的橫截面形狀為圓形、多邊形、卵形、橢圓形中的一種或幾種。
[0026]纖維兩端需密封以防止中間液體流出，其中一端用PVDF材料4密封，另