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  • 一分鐘了解什麼是壓電薄膜(PVDF膜)

了解製作成壓電薄膜的主要原料PVDF、何謂壓電薄膜?什麼原理讓壓電薄膜產生壓電性呢?PVDF壓電薄膜的優點?PVDF壓電薄膜的應用?

 

一分鐘了解什麼是壓電薄膜(PVDF Film)

 


 

 

 

 

1. 先了解製作成壓電薄膜的主要原料 :「PVDF」

 

 

 

聚偏二氟乙烯(英語:polyvinylidene difluoride,簡稱PVDF),

 

又稱為PVF2,是由 ( —CH2CF2 — )n 所聚合構成。

 

 

 

 

 

 

主要特性:

 

 (1) PVDF的摩擦係數低,耐磨損,不易滋生細菌,常用於食品加工業。

 

 (2) PVDF具有優良的耐化學腐蝕性、優良的耐高溫色變性和耐氧化性。

 

 (3) PVDF具有優良的柔韌性,及很高的抗張強度和耐衝擊性強度。

 

 (4) PVDF具有極佳的抗UV紫外線和耐老化性能,以及高抗輻射性。


 (5) PVDF材料有良好的成型加工條件,可射出及押出氟化樹脂(俗稱熱可塑性鐵氟龍)。

 

 (6) PVDF材料的親水性較差。

 

 (7) PVDF具有優良的電性,有高絕緣性、高介電強度,並且是壓電性最強的聚合物。

 

 

綜合以上優異的特性,因此PVDF成為製作壓電薄膜的主要製作材料。

 

 

 

 

2. 何謂「壓電薄膜」或「PVDF膜」呢?

 

 

 

使用PVDF原料製作成一種新型高分子壓電材料,特性柔軟、質輕、高韌度塑料薄膜,

 

 

根據需要可製成各種形狀、厚度的元件,與微電子技術結合,能製成多功能傳感元件。

 

 

PVDF壓電薄膜具有獨特的介電效應、壓電效應、熱電效應。

 

 

與傳統的壓電材料相比具有頻響寬、動態範圍大、力電轉換靈敏度高、

 

 

機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點,並具有重量輕、柔軟不脆、耐衝擊、

 

 

不易受水和化學藥品的污染、易製成任意形狀及面積不等的片或管等優勢。

 

 

 

 

3. PVDF膜,用什麼原理產生「壓電性」呢?

 

 

一般來說,壓電材料是在壓力作用下發生極化而在兩端表面間出現電位差的電介質。

 

 

在異極晶體材料的特定方向上施加應力,晶體一些對應表面上分別出現正、負束縛電荷,

 

 

 

其電荷密度與施加應力的大小成比例,當應力反向時,電荷改變符號,

 

 

 

這種由機械應力使電介質極化,並形成晶體表面荷電的效應稱為壓電效應。

 

 

 PVDF壓電薄膜示意圖

 

 

 

 

因為在PVDF材料是由CFCH鍵接成的長鏈分子,通常狀態下為半結晶高聚物,

 

 

共有五種晶型:α、β、γ、δ及ε型,它們在不同的條件下形成,

 

 

在一定條件下(熱、電場、機械及輻射能的作用)又可以相互轉化,

 

 

在這五種晶型中,作為壓電及熱釋電應用的PVDF,主要是含有β晶型

 

 

 

 

其中β型的分子鏈是反式(Trans)的鋸齒狀(Zigzag)排列,

 

 

由於此分子鏈上CF2偶極(Dipole)在同一方向相互平行而產生自發性分極的極性結晶構造。

 

 

當對此PVDF結晶的某一方向施加壓力而產生形變時,偶極的大小及方向也隨之變化,

 

 

因此電荷量也隨之變化,而產生電壓。

 

 

 

β晶型一般存在於拉伸取向的PVDF中,分子鏈呈規整排列,自發極化大,

 

 

取向後的介電常數從6~8提高到11~14,所以一般通過機械拉伸α晶型的PVDF,

 

 

產生晶型的轉變,可以得到β晶型的PVDF。

 

 

 

 

4. PVDF壓電薄膜的優點?

 

 

PVDF壓電薄膜優點如下:

 

 (1) 具有較高的化學穩定性、低吸濕性、高熱穩定性、高抗紫外線輻射能力、高耐衝擊、耐疲勞能力

 

 

 (2) 壓電薄膜具有柔軟堅韌 、重量輕,能製成所需的各種較複雜的形狀,可使用在需要具有特殊定向的元件中。

 

 

 (3) 壓電薄膜在厚度方向的伸縮振動的諧頻率很高,可以得到較寬的平坦響應,頻響寬度遠優於普通壓電陶瓷換能器。

 

 

 (4) 壓電薄膜有良好的工藝性,可用現有設備進行加工

 

 

 (5) 壓電薄膜能製作大面積的敏感元件。

 

 

 (6) 聲阻抗接近於人體組織和水,所以可用於醫療診斷的敏感裝置結構中。

 

 

 (7) 壓電薄膜具有高衝擊強度 。

 

 

 (8) 壓電薄膜具有優異的耐腐蝕性。

 

 

 (9) 與壓電陶瓷相比有更低的導熱性, 並能製得更薄的薄膜。

 

 

 

【總結】PVDF壓電薄膜比石英、PzT等具有壓電常數大,頻響寬,機械強度好,

 

耐衝擊,質輕,柔韌,聲阻抗易匹配,易加工成大面積,

 

不易受水和一般化學品的污染、價格便宜等特點。



 

 

它不僅在許多領域中可替代壓電陶瓷材料使用,而且還可以應用在壓電陶瓷材料不能使用的場合,因此它是一種極有發展前途的換能性高分子敏感材料。

 

 

 

5. PVDF壓電薄膜的應用有哪些呢?


 

 

項 目 性 能 應用範圍
1. 機電能量轉換器 利用PVDF壓電薄膜的橫向壓電性

非接觸開關、打字機、電腦鍵盤、血壓計、光學快門、光纖開關、觸覺傳感器,顯示器、位移傳感器。

2. 音頻轉換器 利用PVDF壓電薄膜的橫向壓電性

麥克風、電話送話器、雙壓電晶片換能器、耳機、揚聲器、加速度器、醫用傳感器。

3. 红外線及光學零件 利用PVDF壓電薄膜的熱電性

紅外探測儀、紅外可見光轉換器、影印機、雷射功率計、火災探測器、防盜報警器。

4. 超音波及水聲換能器

利用PVDF壓電薄膜的縱向壓電性,室溫下500MHz以內頻率都可產生有用的信號

超音波發送及接收器、無損檢測換能器、成像陣列、水聽器、變焦點換能器、超音波顯微鏡、超音波診斷儀。


 

 

新材料的發展趨勢是:複合化、功能特殊化、性能極限化和結構微型化,

 

因此性能優良的壓電材料將成為本世紀重要的新材料。

 

 

 

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