柔性PVDF電致動(dòng)原理探究及應(yīng)用

楊嘉凱 張美佳 楊玉卓 王雅靜

摘要：本文首先介紹了壓電效應(yīng)及新型壓電換能材料PVDF，主要分析了其電阻、壓電常數(shù)以及電致動(dòng)原理，驗(yàn)證了其壓電效應(yīng)以及柔性驅(qū)動(dòng)特性。該材料在振動(dòng)檢測、實(shí)時(shí)自發(fā)電領(lǐng)域具有很高的價(jià)值。本文也提出了一種通過PVDF實(shí)現(xiàn)人體機(jī)械能一電能轉(zhuǎn)換的裝置，對于能量的二次利用具有深遠(yuǎn)意義。

關(guān)鍵詞：PVDF;壓電效應(yīng);電致動(dòng)原理;發(fā)電裝置

1、壓電效應(yīng)概述

壓電效應(yīng)原理為：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。

正壓電效應(yīng)如圖1（a）所示，壓電材料在機(jī)械力作用下會(huì)發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在材料體表面出現(xiàn)異性電荷，電荷密度與力的大小成正比，使“力”產(chǎn)生“電”。逆壓電效應(yīng)如圖1（b）所示，將壓電材料放置在外電場中，壓電材料內(nèi)部正負(fù)電荷的中心位置發(fā)生偏移，產(chǎn)生壓電材料有形變量，使“電”產(chǎn)生“機(jī)械形變”。

2、PVDF電致動(dòng)原理

PVDF（聚偏二氟乙烯）具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)，同時(shí)其可以切割為50um～240um之間的任意厚度，且厚薄均勻。目前市場上主流PVDF材料厚度為50um、105um、170um，兩表面真空鍍銀（或鍍鉻），在60mm×60mm的面積內(nèi)，厚度均勻度不超過4um。下面對PVDF電致動(dòng)原理進(jìn)行具體分析：

2.1、絕緣電阻

對于厚度為54um～240um的幾種PVDF薄膜，用B&K2423型兆歐表，直流電壓加到100V，在環(huán)境溫度20℃，相對濕度67%的情況下，測量其絕緣電阻，均高于20000MQ，證明了PVDF具有相當(dāng)好的絕緣性。

2.2、壓電常數(shù)

壓電常數(shù)是壓電材料最重要的性能之一，它直接影響由它做成的傳感器的電荷靈敏度。為了獲得較高的靈敏度，要求PVDF材料的壓電常數(shù)盡可能大，同時(shí)追求PVDF材料對溫度的較低敏感度。

3、柔性PVDF薄膜標(biāo)定

選擇PVDF作為壓電材料主要是因?yàn)槠浞€(wěn)定性，即在使用時(shí)，電阻不應(yīng)起伏變化，因?yàn)樗鼤?huì)引入電噪聲源。而PVDF材料的小斷面特性很好地解決了這個(gè)問題。同時(shí)由于它的上、下焊片相互錯(cuò)開并彼此相對，使得有效面積（重疊電極）被精確定義，對于材料的標(biāo)定以及電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有特殊意義。

3.1、信號(hào)放大

同時(shí)由于柔性PVDF材料直接轉(zhuǎn)換的電能較微弱（1.4V/g），普通方式難以正確采集也不穩(wěn)定，所以需要外加電荷放大模塊，本方案使用的放大模塊型號(hào)為ICA10X，在PVDF標(biāo)定時(shí)選定Piezo放大器。放大模塊可以將被測量的電信號(hào)放大20倍，形成實(shí)時(shí)自供電的電路系統(tǒng)。

3.2、晶型標(biāo)定

PVDF材料主要存在a、B和y三種晶型，其中B晶型具有顯著的壓電活性，利用PVDF材料制備的壓電薄膜具有柔性、對溫濕度和化學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定性、耐沖擊性強(qiáng)、失真小等優(yōu)點(diǎn)。通過選取0.3mm厚的PDMS薄膜作為支撐層，將0.2mm厚的PVDF薄膜設(shè)計(jì)成拱形結(jié)構(gòu)可以獲得更好的電致動(dòng)特性。

3.3、主要優(yōu)點(diǎn)

將柔性PVDF材料與普通力學(xué)傳感器對比，可以發(fā)現(xiàn)其有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）質(zhì)輕柔軟，對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很小，與結(jié)構(gòu)有著良好的兼容性。

（2）電壓靈敏度高，便于信號(hào)采集與處理。

（3）具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出很高的壓電穩(wěn)定性。

（4）對于機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變響應(yīng)快速，便于測量沖擊載荷引起的變形。

（5）具有較寬的頻率范圍，能達(dá)到0.1Hz到幾個(gè)GHz。

（6）布置簡單，對外接設(shè)備要求較少。

4、PVDF選型

本項(xiàng)目提出了一種基于雙拱形結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型柔性壓電發(fā)電裝置，能夠作為自供電傳感器監(jiān)測環(huán)境振動(dòng)機(jī)械能，其中，上拱形是根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)的PVDF壓電薄膜，下拱形是帶有均勻梯形體微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。

上下拱形結(jié)構(gòu)利用并聯(lián)方式連接，通過中間共享電極提升壓電單元的電荷密度。由于獨(dú)特的拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PVDF薄膜具有顯著的壓電勢能，在按壓和釋放的過程中，壓電層能夠產(chǎn)生平穩(wěn)的高輸出電能。將雙拱形結(jié)構(gòu)的壓電層作為傳感器的敏感單元，在6mm的振動(dòng)幅值下，其靈敏度為2.12V/g，線性誤差為5.91%。

5、PVDF材料應(yīng)用舉例

如圖3-1所示為一種可穿戴式PVDF發(fā)電裝置的簡圖。該裝置穿戴在身上時(shí)可采集并轉(zhuǎn)化人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能為電能，最終加以利用。

并且該裝置可以在平時(shí)多場合佩戴，例如在辦公室、家、健身房等場合。它的使用形式也分為多種形式，既做到了能源的收集，也可以作為裝飾品。通過時(shí)刻與身體的交互，實(shí)現(xiàn)將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能經(jīng)柔性壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在后續(xù)的超級(jí)電容中，其產(chǎn)生的電能可以為手機(jī)、小型音響等設(shè)備進(jìn)行供電。

6、執(zhí)行總結(jié)

本文對柔性PVDF材料進(jìn)行了介紹并分析了其電致動(dòng)原理，該材料在振動(dòng)檢測、實(shí)時(shí)自發(fā)電領(lǐng)域具有很高的價(jià)值。同時(shí)提出另一種可穿戴式壓電換能裝置，并采用高導(dǎo)電性能的電路對其外接設(shè)備進(jìn)行供電，減少傳輸?shù)絻?chǔ)存電能的電能損失，對于能量的二次利用具有深遠(yuǎn)意義。