多孔结构压电驻极体材料的极化方法

技术领域

本发明涉及压电驻极体材料技术领域，尤其涉及一种多孔结构压电驻极体材料的极化方法。

背景技术

压电材料是一种在受到压力作用时会在两个电极上形成电位差，并以此实现力学信号与电信号的相互转换，在传感器领域具有广泛的应用。而具有非均匀力学性能和非均匀电荷分布的空间电荷驻极体材料可呈现压电效应，因而被称为压电驻极体。

通常压电驻极体为非极性驻极体聚合物多孔膜，具有孔洞结构，孔洞内充满气体，通过施加强电场使得孔洞内的气体产生击穿放电，使得孔洞内表面分别带正电荷和负电荷，以此获得非均匀的电荷分布。

请参阅图1-2，图1是根据Townsend模型所得到的对孔洞内为不同组分的气体进行极化时击穿该多孔聚合物薄膜内孔洞内的气体所得到的U形泊松击穿电压曲线，其示出了在空气中不同pd(即孔内气体压力与孔洞厚度的乘积)值所对应的击穿电压的关系。从图示曲线可知，存在一个最佳气压厚度积(pd)

所以，在常压状态下，多孔聚合物材料对应最佳的击穿电压会有一个对应的最佳的孔洞击穿厚度d

图2中的曲线II示出了常压下对某一组分的气体所对应的多孔结构压电驻极体材料所施加的极化电压与对应的极化量的关系图，其中，多孔结构的压电驻极体材料的极化呈现阈值行为，即是说当孔内的气体组分和压强确定时，击穿某一厚度的孔洞内的气体所对应的极化电压存在一个最低击穿电压V

因此，当极化电压V达到V

但是，当施加的极化电压V大于该样品所对应的最大击穿电压V

因此，现有技术中，为了能够将更多的孔洞内的气体进行极化，以提升聚合物材料孔洞内的极化量，一般是通过加大电压的方式对孔洞内的气体进行击穿使得孔洞内可以捕获一定的量的电荷实现对孔洞的极化。

但是，采用增加电压的方式提升极化量一方面增加了设备的复杂程度，提高了压电驻极体材料的制备成本，同时也增加了压电驻极体材料被直接击穿而损坏的风险。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种采用最佳击穿电压对多孔结构压电驻极体材料进行极化的方法，以降低压电驻极体材料被直接击穿而损坏的风险。

本发明提供一种多孔结构压电驻极体材料的极化方法，所述多孔结构压电驻极体材料包括多孔聚合物薄膜、第一电极和第二电极，所述多孔聚合物薄膜设于所述第一电极和所述第二电极之间，所述极化方法包括以下步骤：

沿所述第一电极到所述第二电极的方向对所述多孔聚合物薄膜内的多个孔洞的厚度进行确认以得到最大孔洞所对应的第一厚度和最小孔洞所对应的第二厚度；

根据该第一厚度确定在最低击穿电压V

将所述聚合物多孔膜在密闭空间内进行抽气或充气以使得所述最大孔洞内的压强达到所述第一压强；或将所述聚合物多孔膜在密闭空间内进行充气或抽气以使得所述最小孔洞内的压强达到所述第二压强；

对达到所述第一压强的所述多孔聚合物薄膜施加与所述孔洞内的所述气体所对应的所述最佳击穿电压V

持续对所述孔洞内达到所述第一压强的所述多孔聚合物薄膜按所述最佳击穿电压V

持续对所述多孔聚合物薄膜施加所述最佳击穿电压V

停止对所述多孔聚合物薄膜施加所述最佳击穿电压V

进一步的，所述Townsend模型所对应的泊松击穿电压曲线公式为：

其中，A,B为气体相关常数，γ为二次电离系数。

进一步的，常压下不同组分的所述气体的所述U形泊松击穿电压曲线中对应所述最低击穿电压V

当所述第一厚度小于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度小于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第二厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第二厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度大于所述最小孔洞厚度d

进一步的，所述孔洞为封闭型孔洞，其中，所述孔洞可以是规则的也可以是不规则的，且所述孔洞的厚度介于1μm-5mm之间。

进一步的，所述孔洞为开放型孔洞，其中，所述孔洞的厚度介于1μm-5mm之间。

进一步的，所述多孔聚合物薄膜可以但不限于是由PTFE、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflonAF、FEP、PFA、P(VDF-TRFE)、PI、PET、PE、COC、PDMS中的一种或多种混合制成。

进一步的，根据所述孔洞内的所述气体的组分不同，极化时，所述最佳击穿电压介于100V～20KV之间，所述孔洞内的压强介于10

进一步的，当所述孔洞内的所述气体为空气时，常压下击穿所述孔洞内的所述空气的最小电压值为327伏特，且最佳孔洞厚度为7.5μm。

相较于现有技术，本发明的有益效果：本发明通过对待极化的所述多孔结构压电驻极体材料内的多个所述孔洞中的最小厚度孔洞和最大厚度孔洞进行确认，并根据Townsend模型所得到的泊松击穿电压曲线将多个所述孔洞按照其厚度从大到小或从小到大的顺序进行孔内的气压调节并同步持续施加最佳击穿电压进行极化，以使得多个不同厚度的所述孔洞均能够在同一电压值下被极化，从而避免了对偏离最优孔洞击穿厚度的其他所述孔洞需要施加更高的极化电压方可实现极化的现象，以及施加更高的极化电压所存在的击穿所述多孔聚合物薄膜的风险。

附图说明

图1为根据Townsend模型所得到的泊松击穿电压曲线示意图。

图2为常压下和调节压强下所对应的极化电压与极化量的关系示意图。

图3为本发明极化方法的具体实施方式流程框图。

图4为本发明对多孔结构压电驻极体材料进行极化的装置结构示意图。

图5为多孔聚合物薄膜的扫描电镜示意图。

图6为具有规则的开放型孔洞的多孔聚合物薄膜的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

还需要说明的是，本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1-4，本发明提供一种多孔结构压电驻极体材料的极化方法，所述多孔结构压电驻极体材料10包括多孔聚合物薄膜11、第一电极12和第二电极13，所述多孔聚合物薄膜11设于所述第一电极12和所述第二电极13之间，所述极化方法包括以下步骤：

沿所述第一电极12到所述第二电极13的方向对所述多孔聚合物薄膜11内的多个孔洞的厚度进行确认以得到最大孔洞所对应的第一厚度和最小孔洞所对应的第二厚度(S10)。

根据该第一厚度确定在最低击穿电压V

将所述聚合物多孔膜11在密闭空间25内进行抽气或充气以使得所述最大孔洞内的压强达到所述第一压强；或将所述聚合物多孔膜11在密闭空间25内进行充气或抽气以使得所述最小孔洞内的压强达到所述第二压强(S30)。

对达到所述第一压强的所述多孔聚合物薄膜11施加与所述孔洞内的所述气体所对应的所述最佳击穿电压V

持续对所述孔洞内达到所述第一压强的所述多孔聚合物薄膜11按所述最佳击穿电压V

持续对所述多孔聚合物薄膜11施加所述最佳击穿电压V

停止对所述多孔聚合物薄膜11施加所述最佳击穿电压V

进一步的，常压下由于不同组分的所述气体的所述U形泊松击穿电压曲线中对应所述最低击穿电压V

当所述第一厚度小于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度小于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第二厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第二厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度大于所述最小孔洞厚度d

或者，当所述第一厚度大于所述最小孔洞厚度d

也即是说，当所述多孔聚合物薄膜具有多个不同厚度值的所述孔洞时，该多孔聚合物薄膜内的全部所述孔洞的厚度分布存在以下三种情况：

第一种情况是：部分所述孔洞的厚度大于所述最小孔洞厚度d

第二种情况是：全部所述孔洞的厚度均大于所述最小孔洞厚度d

第三种情况是：全部所述孔洞的厚度均小于所述最小孔洞厚度d

进一步的，上述的三种情况均可以从所述第一厚度向所述第二厚度进行极化，也可以从所述第二厚度向所述第一厚度进行极化。

进一步的，本申请还提供了一种具有所述密闭空间25的装置对所述多孔结构压电驻极体材料10进行极化。其中，所述装置包括壳体21、抽气装置22、充气装置23和极化电源24，所述壳体21内设有用于放置待极化的所述多孔结构压电驻极体材料10的所述密闭空间25，所述抽气装置22和所述充气装置23分别连通所述密闭空间25，用于对所述密闭空间25进行抽气或充气。

所述极化电源24用于与放置在所述密闭空间25内的所述多孔结构压电驻极体材料10电连接，并当所述密闭空间25内的所述多孔结构压电驻极体材料10中所述最大厚度的所述孔洞内的气压达到所述第一气压或所述最小厚度的所述孔洞内的气压达到所述第二气压时对所述多孔结构压电驻极体材料10施加电压进行极化。

其中，所述抽气装置22和所述充气装置23分别与所述密闭空间25之间设有控制阀26，所述控制阀26分别用于控制所述抽气装置22和所述充气装置23与所述密闭空间25的连通或断开。

进一步的，所述第一电极12与所述第二电极13分别设于所述多孔聚合物薄膜11的相对侧，所述孔洞的厚度为沿着垂直于所述第一电极12或所述第二电极13所在的平面方向所对应的所述孔洞的厚度。

在对所述多孔聚合物薄膜11内的多个所述孔洞的厚度进行确认时可通过制备所述多孔聚合物薄膜11时所采用的相关参数以及结合所采用的原材料的性质预估出所述孔洞的厚度。

进一步的也可以通过扫描电镜对所述多孔聚合物薄膜11内所形成的所述孔洞的大小进行扫描并测量得出具体的所述孔洞的厚度。

由于每一所述多孔聚合物薄膜11内具有多个所述孔洞，依靠扫描电镜扫描后对所述孔洞的厚度进行测量的效率并不是很高，所以，优选的，还可以通过ImageJ图像处理软件对所述孔洞的厚度进行分析测量。

进一步的，所述壳体21可以开启和关闭，当所述壳体21开启时，以便于将所述多孔结构压电驻极体材料10放入所述壳体21内或将所述多孔结构压电驻极体材料10从所述壳体21内取出，当所述壳体21关闭时，以形成所述密闭空间25对所述壳体21内的所述多孔结构压电驻极体材料10进行气压调节以及极化。

进一步的，所述Townsend模型所对应的泊松击穿电压曲线公式：

其中，A,B为气体相关常数，γ为二次电离系数。

根据上述的Townsend模型所对应的泊松击穿电压曲线公式可知：当填充在所述孔内的所述气体的成分不同时，则在相同条件下击穿同一厚度的所述孔洞所对应的击穿电压也不相同。

例如，当所述孔洞内的所述气体为空气时，常压下击穿所述孔洞内的所述空气的最小电压值为327伏特，其所对应的最佳孔洞厚度为7.5μm。

根据所述孔洞内所述气体的性质可以确认常压下所述最佳击穿电压所对应的最佳孔洞的厚度，并可以该厚度为分界点将所述多孔聚合物薄膜11内有效的孔洞厚度分为大于所述最佳孔洞的第一孔洞和小于所述最佳孔洞的第二孔洞。

在一种实施方式中，在对所述多孔聚合物薄膜11进行极化时，可以先按照所述第一厚度对所述多孔聚合物薄膜11进行抽气至与所述第一厚度所对应的所述第一压强，并当所述第一厚度对应的所述孔洞内的压强达到所述第一压强后，开始对所述第一孔洞施加最佳击穿电压以使得所述第一厚度所对应的所述孔洞被极化。

在完成对所述第一孔洞的极化后，保持对所述多孔聚合物薄膜11施加所述最佳击穿电压并逐渐对所述密闭空间25充气以使得所述密闭空间25内的气压逐渐达到所述第二孔洞所对应的所述第二压强，以使得从所述第一厚度到所述第二厚度之间的所述孔洞内的压强分别与该孔洞所对应的所述厚度的乘积在某一时间上满足所述最佳击穿电压，以使得处于所述第一厚度至所述第二厚度之间的所述孔洞依次被极化，然后再将所述密闭空间25内压强从所述第二压强恢复至常压，最后再断开对所述多孔结构压电驻极体材料10所施加的电压以完成对所述多孔结构压电驻极体材料10的极化。

在另一种实施方式中，在对所述多孔聚合物薄膜11进行极化时，也可以先按照所述第二厚度对所述多孔聚合物薄膜11进行充气至与所述第二厚度所对应的所述第二压强，并当所述第二厚度对应的所述孔洞内的压强达到所述第二压强后，开始对所述第二孔洞施加最佳击穿电压以使得所述第二厚度所对应的所述孔洞被极化。

在完成对所述第二孔洞的极化后，保持对所述多孔聚合物薄膜11施加所述最佳击穿电压并逐渐对所述密闭空间25抽气以使得所述密闭空间25内的气压逐渐达到所述第一孔洞所对应的所述第一压强，以使得从所述第二厚度到所述第一厚度之间的所述孔洞内的压强分别与该孔洞所对应的所述厚度的乘积在某一时间点上满足所述最佳击穿电压，以使得处于所述第二厚度至所述第一厚度之间的所述孔洞依次被极化，然后再将所述密闭空间25内压强从所述第一压强恢复至常压，最后再断开对所述多孔结构压电驻极体材料10所施加的电压以完成对所述多孔结构压电驻极体材料10的极化。

通过按照所述第一厚度至所述第二厚度的方向相应的控制所述孔洞内的气压变化，能够有效的将所述多孔聚合物薄膜11内的全部所述孔洞在所述最佳击穿电压下进行极化，避免了在对所述多孔聚合物薄膜11内的多个所述孔洞进行极化时，需要根据不同厚度的所述孔洞相应的调节击穿电压，导致工作量较大以及电能耗量更大的同时还增加了更高的极化电压所带来的安全隐患。

而采用调整不同所述孔洞所对应的孔内压强以使得不同的所述孔洞均能够在所述最佳击穿电压的作用下被极化，不仅避免了频繁调节极化电压，并有效的降低了对偏离所述d

因此，本申请所提供的所述极化方法通过施加所述最佳极化电压Vp＝V

其中，V

由于多孔聚合物材料需要经过极化后使得所述空洞内捕获电荷才具备压电性能，所以，极化是决定所述多孔聚合物薄膜11是否具备压电性能的关键。

但是，具备压电性能并不能代表压电灵敏度的高低，而衡量压电灵敏度高低的标准是所述多孔聚合物薄膜11的极化量高低。

更为具体的，极化量的高低可以通过所述孔洞内所捕获的电荷的数量，而多孔结构压电驻极体材料10的极化量是具有饱和值的，也即是说，在最佳击穿电压Vp下，对应所述孔洞内的气体将会被击穿并使得捕获到的电荷达到饱和。

但是，当施加的极化电压低于所述最低击穿电压V

然而，当施加的极化电压高于所述最低击穿电压V

P＝k(V-V

其中，P表示极化量，k为制备所述多孔聚合物薄膜11所用的材料的相关参数，V表示实际施加的所述极化电压，V

然而，所述孔洞内表面所捕获的所述电荷本身也产生电场，如果该电场超过孔洞的击穿电场，则在撤去极化电压时会引起孔洞的反向击穿。

撤去极化电压V后的极化量P(剩余极化)存在饱和值kV

虽然在施加极化电压V时极化量P会一直呈线性增加(见图3中虚线部分)，但并不能继续增加样品的剩余极化量P。究其原因是因为：所述孔洞内表面捕获的电荷本身也会产生电场，如果该电场超过该孔洞的击穿电场，则在撤去极化电压V时会引起该孔洞内形成的电场的反向击穿，导致孔洞内的极化量P重新回到了饱和值kV

所以，本申请在对完成全部所述孔洞的极化后，并未先撤销施加的所述最佳极化电压V

因此，本申请提供的所述极化方法相对与现有的极化方法能够保证每一所述孔洞内所捕获的所述电荷不会超过其所对应的所述饱和值kV

请再参阅图2，本申请所提供的所述极化方法通过降低所述最大厚度孔洞或升高所述最小厚度孔洞极化时该孔洞内的压强来降低该孔洞所对应的极化击穿电压，从而实现将图2所示的极化量-极化电压曲线从曲线II向曲线I移动(包括曲线I中的虚线部分)，以此来提升所述多孔结构压电驻极体材料的极化量。

图2中，曲线I(粗线段所示)为本申请所述的极化方法所对应的所述多孔结构压电驻极体材料10在调节其内部的所述孔洞压强的情况下施加大于2倍的所述饱和击穿电压(2V

其具体对应的关系式为：

P

此时，所述孔洞的击穿强度下降，能够对全部所述孔洞内的所述气体进行击穿，并能够能达到更高的极化量，并使得所述多孔聚合物薄膜11具有更高的极化量，并以此实现极化效率的提升，从而得到具有更高灵敏度的所述多孔结构压电驻极体材料10。

曲线II(细线段所示)为所述多孔结构压电驻极体材料10在不调节其内部的所述孔洞压强(即常压下)极化量与极化电压曲线。

其中，在施加调节所述孔洞气压所对应的最佳击穿电压V

并且，在极化后就断开所施加的所述极化电压会导致部分已被击穿的所述孔洞内所捕获的所述电荷形成电场引起反向击穿，进一步将已捕获了一定量的所述孔洞内的所述电荷至少部分进行抵消，导致所述多孔结构压电驻极体材料10的所述极化量进一步降低。

具体的，如图2所示，因V

其具体对应的关系式为：

P

请参阅图5-6，在一种实施方式中，所述孔洞为封闭型孔洞，其中，所述孔洞可以是规则的也可以是不规则的，且所述孔洞的厚度介于1μm-5mm之间。

进一步的，所述孔洞可以是直接将聚合物进行拉伸得到的厚度不一致的不规则封闭型孔洞。

所述孔洞也可以是但不限于通过MEMS、CNC、模压成型、注塑成型等加工方式得到的厚度一致或不一致的封闭型孔洞。

针对所述封闭型孔洞，由于对所述密闭空间25进行抽气或充气后，所述孔洞内的气压与所述密闭空间25内、所述多孔聚合物薄膜11外的气压需要一定时间通过孔洞内外气体分子渗透交换方可实现平衡，所以，针对所述封闭型孔洞的所述多孔结构压电驻极体材料10会在抽气或充气的作用下发生形变，并在气压平衡时形变恢复。

为了保证所述孔洞内的压强与所述密闭空间25内的压强达到平衡，可以通过监测所述多孔结构压电驻极体的形变量进行确认，即是说可以通过监测所述第一电极12与所述第二电极13之间的距离来确认所述孔洞内的压强与所述密闭空间25内的压强是否达到平衡。

进一步的，由于所述多孔结构压电驻极体材料10的厚度变化会导致其所对应的电容发生变化，所以也可以通过监测所述多孔结构压电驻极体材料10的电容变化来进一步确认所述孔洞内的压强与所述密闭空间25内的压强是否一致达到平衡。

具体的，当对所述密闭空间25进行充气时，所述多孔结构压电驻极体材料10内的所述孔洞内的压强在与所述密闭空间25内的压强达到平衡前，所述多孔结构压电驻极体材料10因为所述密闭空间25内压强增大的原因而被压缩，导致其厚度变薄，此时，所述多孔结构压电驻极体材料10的电容会迅速增加，其后随着气体分子渗透进入孔洞电容不断下降，并在所述孔洞内的压强与所述密闭空间25内的压强达到平衡时不再发生变化。

在另一种实施方式中，所述孔洞为开放型孔洞，其中，所述孔洞的厚度介于1μm-5mm之间。

具体的，所述孔洞也可以是但不限于通过MEMS、CNC、模压成型、注塑成型等加工方式得到的厚度一致或不一致的开放型孔洞。

由于所述开放型孔洞放置在所述密闭空间25内时，该孔洞与所述密闭空间25连通，所以，在对具有所述开放型孔洞的所述多孔结构压电驻极体材料10进行抽气或充气时，所述孔洞内的压强与所述密闭空间25内的压强是快速达到平衡的，因此，可以省略对所述多孔结构压电驻极体材料10厚度的监测，并直接通过监测所述密闭空间25内的压力值即可确定所述孔洞的压强。

进一步的，所述多孔聚合物薄膜11可以但不限于是由PTFE、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflonAF、FEP、PFA、P(VDF-TRFE)、PI、PET、PE、COC、PDMS中的一种或多种混合制成。

根据所述多孔结构压电驻极体材料10的使用需求和性能需求，可以选择上述的一种或多种聚合物制备所述多孔聚合物薄膜11，以满足不同的所述多孔结构压电驻极体材料10的需求。

请再参阅图1，根据所述孔洞内的所述气体的组分不同，极化时，所述最佳击穿电压介于100V～20KV之间，所述孔洞内的压强介于10

具体的，如图1所示，其示出了空气(Air)、氧气(O

本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数值、步骤、部件或它们的组合。

本发明的一些特征，为阐述清晰，分别在不同的实施例中描述，然而，这些特征也可以结合于单一实施例中描述。相反，本发明的一些特征，为简要起见，仅在单一实施例中描述，然而，这些特征也可以单独或以任何合适的组合于不同的实施例中描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。