PVDF+压电薄膜及其传感器的制备与性能研究
PVDF压电薄膜的力学性能和压电效应实验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究
2
PVDF 压电薄膜制作传感器的理论分析
收稿日期 ! 2004 -09 -11 3
修回日期 ! 2004 -10 -20
当将 P VDF 压电薄 膜 贴 在 薄 板 上 时 9 板 的 坐 标 轴 J 的 方 向与薄膜的拉伸方向J, 之 间 的 夹 角 为O 9 z 轴 的 方 向 它 们 是 一 致的 9 如图 2 所示 薄板系统符合克希霍夫 ( Ki rchhof f . G ) 薄板理论的假设
1I
1
PVDF 压电薄膜的压电方程
压电效应的物态 方 程 反 映 了 晶 体 电 学 量 (E 9 D ) 和 力 学 量 (T 9 S ) 之间的相互关系 9 因此压电方程 14 I 为 T (1 ) Di =d iP T ] + Z ij Ei 式中 T 应 力9 E 电 场 强 度3 D 电 位 移9 Z T 压电应变常数矩阵 介电常数矩阵的转置矩阵 9
H
, 1U HT T , 2 = C T m <O > 8
8 0 8J 8u 0 8}
U
+z P C
T m <O >
HT , 6U H
图2 薄板和薄膜位置关系示意图
2 > u f Y <1 uf 2 > Y/ <1 uf 2 8 I - 2 U 8J 2 8 I - 2 8}
0 0 H 8} + 8J U
-3
则选取 9 如图 1 所示
其压电应变常数矩阵为 0 0 0
H 0
= 0
0 0
d 15
0 0
0U 0 0U (2 )
d 24
0
H d 31 d 32 d 33
~z 到 10 9 ~z 均 能 转 换 机 电 效 应 9 而
PVDF传感器动态压电特性的试验研究
时， 其灵敏度也较 低， 随 着 应 变 频 率 的 提 高， 其灵敏 度也快速增 加。 应 变 频 率 达 到 # $ ,&’ 以 后， 灵敏度 基本上变为一个常数。 由图 ( 可以看到， 相位差随频率的增加而减小， 基本上， 频 率 超 过 # $ ,&’ 后， 相 位 差 小 于 %- $ .*。 综 合图 0 、 图 ( 的 结 果 可 以 认 为， 就 此 试 验 条 件 下， 对 简谐形振 动 而 言， 应 变 频 率 超 过 # $ ,&’ 后， 可以用 1234 压电薄膜传感器测量结构的应变。 实际上， 由式 （%） 可以看出， 1234 输出电荷与其 自身应变是线性 关 系， 因 而， 1234 的 输 出 电 荷 与 应 变之间应该是不存在相位差的。图 ( 的相位差主要 是由电荷放大器的输入电荷与其输出电压之间在低 频率范围内有相位差引起的。当输入电荷的频率范 围大于 -&’ 时， 电荷 放 大 器 的 输 入 电 荷 与 其 输 出 电 压之 间 的 相 位 差 接 近 #*， 而 1234 的 电 荷 与 其 应 变 之间相位 差 为 #*， 故 电 荷 放 大 器 输 出 电 压 与 1234 的应变之间相位 差 接 近 #*。 因 此， 采用低频特性好 的电荷放大器， 可 以 降 低 相 位 差 为 #* 时 对 应 的 最 小 输入频率值。 就相位特性的影响而言， 对简谐形振动， 较小的 ,.
C V P.2=： Q./0=234/0 W 4P.2=M R ?J7A R 4F7 R ;/
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究1PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究随着现代科技的不断进步，传感器已经广泛应用于各种电子设备和计量仪表中，传感器作为连接物理世界与数字世界的纽带，其性能不仅关系到设备的稳定性和性能，还关系到生活和工业领域的实际应用。
近年来，PVDF压电薄膜作为一种新型的传感器材料，受到了人们的广泛关注。
本论文从制备PVDF压电薄膜入手，探讨了PVDF压电薄膜的性能，并研究了其在压力传感器中的应用。
1. PVDF压电薄膜制备PVDF压电薄膜的制备过程主要分为以下两步，分别为拉伸和极化。
1.1 拉伸首先，需要将PVDF粉末通过非溶剂法制造成PVDF膜，然后将PVDF薄膜导入拉伸机中，利用一定的拉伸速度和力度拉伸成一定厚度的PVDF薄膜。
1.2 极化拉伸后的PVDF薄膜需要进行极化，将其放置在特殊的高温和高压环境中，使PVDF薄膜内部产生电极化作用，形成一定的电极化强度和方向，从而使PVDF薄膜产生压电效应。
2. PVDF压电薄膜性能PVDF压电薄膜的优点在于其具有极好的压电性能，也就是说，当其受到压力时，会产生一定的电荷输出。
此外，PVDF压电薄膜还具有极高的机械强度和稳定性，能够抵御一定的气氛和温度变化，并适用于多种环境条件。
此外，当PVDF压电薄膜与电荷放电器和电流放大器相连接时，可以将PVDF的输出信号放大和处理，以输出更具意义的信息。
3. PVDF压力传感器应用PVDF压电薄膜在压力传感器中的应用越来越广泛。
利用PVDF压电薄膜的压电效应，可以制作出一款高精度的压力传感器，可以独立地感知机械压力、机械挤压等多种变化。
此外，PVDF 压电薄膜在测量生物信号、声音、震动等方面也有广泛的应用，是一种具有广泛应用前景的新型传感器材料。
总之，PVDF压电薄膜是一种非常重要的材料，有着极佳的压电性能和稳定性能，能够被广泛应用于传感器和其他电子元器件中。
PVDF+压电薄膜及其传感器的制备与性能研究
PVDF 压电薄膜及其传感器的制备 与性能研究
PREPARATION AND PERFORMANCE STUDY OF PVDF PIEZOELECTRIC FILM AND SENSOR
朱金海
哈尔滨工业大学 2011 年 6 月
国内图书分类号： TB381 国际图书分类号：
学校代码： 10213 密级：公开
工学硕士学位论文
PVDF 压电薄膜及其传感器的制备 与性能研究
硕 士 研 究 生： 朱金海 导 申 请 学 师： 关新春 教授 位： 工学硕士
学 科 、 专 业： 防灾减灾及防护工程 所 答 在 辩 单 日 位： 土木工程学院 期： 2011 年 6 月 30 日
授 予 学 位 单 位： 哈尔滨工业大学
Keywords: Polyvinylidene Fluoride (PVDF) , pizeo-film, sensor, solution cast method.
- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目
录
摘 要 ......................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................ 1 1.2 PVDF压电薄膜概述 ....................................................................................... 1 1.2.1 压电材料和压电效应 .............................................................................. 2 1.2.2 PVDF的晶体结构 .................................................................................... 3 1.3 PVDF压电薄膜的研究现状 ............................................................................ 5 1.3.1 PVDF薄膜的制备及性能研究 ................................................................. 5 1.3.2 PVDF压电薄膜的应用 ............................................................................. 6 1.4 已有的研究中存在的问题 ............................................................................. 9 1.5 论文主要工作内容 ........................................................................................ 9 第 2 章 PVDF压电薄膜的制备 ............................................................................ 10 2.1 引言 .............................................................................................................. 10 2.2 实验材料及设备 .......................................................................................... 10 2.3 PVDF薄膜的流延制备 ................................................................................. 11 2.3.1 制备过程 ............................................................................................... 11 2.3.2 制备影响因素 ....................................................................................... 12 2.4 PVDF薄膜的拉伸 ......................................................................................... 14 2.4.1 拉伸过程 ............................................................................................... 14 2.4.2 拉伸影响因素 ....................................................................................... 14 2.5 PVDF薄膜的极化 ......................................................................................... 18 2.5.1 极化原理 ............................................................................................... 18 2.5.2 热极化法步骤 ....................................................................................... 20 2.5.3 热极化法影响因素 ................................................................................ 21 2.6 PVDF薄膜的表征 ......................................................................................... 25 2.6.1 扫描电子显微镜（ SEM） .................................................................... 25 2.6.2 差示扫描量热法（ DSC） .................................................................... 27 2.6.3 广角 X-射线衍射测试（ XRD） ........................................................... 29 2.6.4 压电性能测试 ....................................................................................... 30 2.6.5 介电性能测试 ....................................................................................... 31 2.7 本章小结 ...................................................................................................... 32
PVDF压电薄膜传感器的标定技术
PVDF压电薄膜传感器的标定技术PVDF压电薄膜传感器只能测量动态压力，因此我们要确定它的动态灵敏度系数。
本实验主要测试低应力下自制传感器的动态灵敏度，因此，采用落锤冲击装置对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验。
一、落锤装置标定PVDF传感器的实验方案（一）实验原理PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置是由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套、两台电荷放大器、一台示波器等组成。
该装置是利用重锤、活塞杆和油缸中的硅油相互作用过程中形成毫秒量级的动态压力扰动，压力波形接近半个正弦波，在记录仪器中可以获取标准压力传感器的输出信号和被标压力传感器的输出信号，经数据处理后可以得到被标压力传感器的灵敏度和非线性误差水平，实现PVDF压电薄膜传感器的标定。
PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置的主要参数如下：重锤质量约为M2=2200g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；重锤最大落高约为hmax≈1300mm；重锤最大打击速度约为umax=（2ghmax）0.5=5m/s，此值是设计与调试中主要控制参数之一；油缸中硅油质量约为M1=1.2g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；因为本实验需要的压力不高，所以直接手动用落锤打击产生超压。
（二）实验装置实验使用的实验装置主要由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、落锤冲击装置、两台电荷放大器、一台示波器。
（1）标准压力传感器。
我们采用比较测试法对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验，对自制传感器和标准传感器输入相同的激励信号，通过测量它们的输出信息，比较两个传感器输出的电压波形，计算出PVDF压电薄膜传感器的灵敏度，其中标准传感器的灵敏度为2.436pc/bar。
（2）落锤装置。
落锤装置是由1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个1.5m长圆筒式滑轨、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套组成的。
pvdf压电薄膜 传感带
pvdf压电薄膜传感带
PVDF压电薄膜传感带是一种利用聚偏氟乙烯（PVDF）材料制成的压电传感器。
PVDF是一种具有压电效应的聚合物材料，它可以将机械压力转换为电信号。
PVDF压电薄膜传感带通常用于测量和检测应变、压力、力和触摸等物理量，广泛应用于医疗设备、工业自动化、电子设备和触摸屏等领域。
从材料角度来看，PVDF压电薄膜传感带具有良好的压电性能，具有高灵敏度、快速响应和稳定的特点。
它的柔韧性和薄膜结构使其适合于嵌入式传感应用，能够适应复杂的曲面和结构。
从应用角度来看，PVDF压电薄膜传感带可以用于制作触摸传感器、压力传感器、力传感器等各种类型的传感器。
在医疗设备中，它可以用于制作生理信号采集传感器，如心电图贴片、血压测量仪等。
在工业领域，它可以应用于机械手臂的力控制、触摸屏的触摸控制等方面。
在电子产品中，它可以用于制作触摸开关、触摸笔等电子产品。
总的来说，PVDF压电薄膜传感带具有广泛的应用前景，其高灵敏度、快速响应和良好的适应性使其成为各种传感器领域的重要材
料之一。
随着科学技术的不断发展，PVDF压电薄膜传感带在传感技术领域的应用将会更加广泛，为人们的生活和工作带来更多便利和可能性。
《BTONWs-PVDF柔性复合薄膜制备及其压电性能研究》范文
《BTO NWs-PVDF柔性复合薄膜制备及其压电性能研究》篇一BTO NWs-PVDF柔性复合薄膜制备及其压电性能研究一、引言随着科技的不断进步，柔性电子器件在众多领域中得到了广泛的应用。
其中，压电材料作为柔性电子器件的重要组件，其在能量收集、传感器等方面有着巨大的应用潜力。
特别是钙钛矿型钛酸铋锶（BTO）纳米线（NWs）因其优良的压电性能而备受关注。
而聚偏二氟乙烯（PVDF）因其具有良好的柔韧性和可加工性，在制备柔性复合薄膜中常被用作基底材料。
因此，本文旨在研究BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜的制备工艺及其压电性能。
二、BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜的制备1. 材料与设备实验所使用的BTO NWs、PVDF、有机溶剂、分散剂等材料，以及相关实验设备如磁力搅拌器、烘箱、涂布机等。
2. 制备工艺（1）将BTO NWs与有机溶剂混合，进行磁力搅拌以获得均匀的BTO NWs分散液；（2）将PVDF溶解于有机溶剂中，制备成PVDF溶液；（3）将BTO NWs分散液与PVDF溶液混合，加入适量的分散剂，进行磁力搅拌以获得均匀的混合液；（4）将混合液涂布于基底上，经过烘烤、冷却等工艺，制备出BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜。
三、压电性能研究1. 压电性能测试方法采用压电测试仪对BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜的压电性能进行测试，包括压电系数、介电常数等参数。
2. 结果与分析（1）通过压电测试，发现BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜具有较高的压电系数和介电常数；（2）分析表明，BTO NWs的加入有效地提高了PVDF的压电性能；（3）此外，薄膜的柔韧性良好，可应用于柔性电子器件中。
四、结论本文成功制备了BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜，并对其压电性能进行了研究。
实验结果表明，该复合薄膜具有较高的压电系数和介电常数，且具有良好的柔韧性。
BTO NWs的加入有效地提高了PVDF的压电性能，使得该复合薄膜在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。
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Keywords: Polyvinylidene Fluoride (PVDF) , pizeo-film, sensor, solution cast method.
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目
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摘 要 ......................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................ 1 1.2 PVDF压电薄膜概述 ....................................................................................... 1 1.2.1 压电材料和压电效应 .............................................................................. 2 1.2.2 PVDF的晶体结构 .................................................................................... 3 1.3 PVDF压电薄膜的研究现状 ............................................................................ 5 1.3.1 PVDF薄膜的制备及性能研究 ....................................................................................................................................... 6 1.4 已有的研究中存在的问题 ............................................................................. 9 1.5 论文主要工作内容 ........................................................................................ 9 第 2 章 PVDF压电薄膜的制备 ............................................................................ 10 2.1 引言 .............................................................................................................. 10 2.2 实验材料及设备 .......................................................................................... 10 2.3 PVDF薄膜的流延制备 ................................................................................. 11 2.3.1 制备过程 ............................................................................................... 11 2.3.2 制备影响因素 ....................................................................................... 12 2.4 PVDF薄膜的拉伸 ......................................................................................... 14 2.4.1 拉伸过程 ............................................................................................... 14 2.4.2 拉伸影响因素 ....................................................................................... 14 2.5 PVDF薄膜的极化 ......................................................................................... 18 2.5.1 极化原理 ............................................................................................... 18 2.5.2 热极化法步骤 ....................................................................................... 20 2.5.3 热极化法影响因素 ................................................................................ 21 2.6 PVDF薄膜的表征 ......................................................................................... 25 2.6.1 扫描电子显微镜（ SEM） .................................................................... 25 2.6.2 差示扫描量热法（ DSC） .................................................................... 27 2.6.3 广角 X-射线衍射测试（ XRD） ........................................................... 29 2.6.4 压电性能测试 ....................................................................................... 30 2.6.5 介电性能测试 ....................................................................................... 31 2.7 本章小结 ...................................................................................................... 32
硕士学位论文
PVDF 压电薄膜及其传感器的制备 与性能研究
PREPARATION AND PERFORMANCE STUDY OF PVDF PIEZOELECTRIC FILM AND SENSOR
朱金海
哈尔滨工业大学 2011 年 6 月
国内图书分类号： TB381 国际图书分类号：
学校代码： 10213 密级：公开
Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Unit： Date of Defence： University：
Zhu Jinhai Prof. Guan Xinchun Master of Engineering Disaster Prevention and Mitigation Engineering School of Civil Engineering June, 30th, 2011 Harbin Institute of Technology
Classified Index: TB381 U.D.C.:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
PREPARATION AND PERFORMANCE STUDY OF PVDF PIEZOELECTRIC FILM AND SENSOR
关键词： 聚偏二氟乙烯（PVDF） ；压电薄膜；传感器；溶液流延法。
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The Polyvinylidene fluoride(PVDF) pizeo-film is a macromolecule film. Due to its virtues of small size, light weight, high chemical corrosion resistance, flexibility and processability, wide fequency range, high dielectric strength and stability, PVDF is widely applied for industrial and civilian use. It is easily attached to the smart structures as sensing element with little structural influence. The PVDF Sensor has a promising application to the structural health monitoring. In this thesis, the fabrication of PVDF pizeo-film and sensor and the dynamic sensing properties of self-made sensor were investigated. The main contents are detailed as follows: (1) The fabrication of PVDF film, including film deposition by solution cast method, uniaxial stretching and polarization under high temperature, was studied. Various factors impact on the film preparation were analyzed and characterized for better film performance. (2) The electrode coating and packaging process of the PVDF film were investigated, the PVDF sensor fabrication and films assembling differently were explored. (3) Compared with results of the resistance strain gauge, the dynamic response characteristics of PVDF sensor were tested and verified.