【摘 要】
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传感器技术是21世纪优先发展的十大顶尖技术之一,却远落后于通信技术与计算机技术,究其原因在于传统式传感器体积大、质地坚硬等缺点致使传感器技术在实际应用中大大受限,因此研发低成本、小体积、高性能的柔性压力传感器成为当前传感器技术研究与应用的一个新发展趋势。以PVDF(聚偏氟乙烯)为核心元件的新型柔性压力传感器,因质量轻、韧性强、机械强度高以及适应曲面工作等优点备受关注,但其压电性能相对于锆钛酸铅等陶
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传感器技术是21世纪优先发展的十大顶尖技术之一,却远落后于通信技术与计算机技术,究其原因在于传统式传感器体积大、质地坚硬等缺点致使传感器技术在实际应用中大大受限,因此研发低成本、小体积、高性能的柔性压力传感器成为当前传感器技术研究与应用的一个新发展趋势。以PVDF(聚偏氟乙烯)为核心元件的新型柔性压力传感器,因质量轻、韧性强、机械强度高以及适应曲面工作等优点备受关注,但其压电性能相对于锆钛酸铅等陶瓷来说要低很多,在实际应用中并不很占优势。BaTiO3(钛酸钡)也是一种具有高压电性能的陶瓷,虽不及锆钛酸铅压电性能高,但胜在不含铅更具环境友好性,当然,BaTiO3压电陶瓷也存在陶瓷材料通有的柔性差、难加工等问题。倘若能将BaTiO3与PVDF进行复合,得到一种柔软性与压电性兼顾的复合材料,不失为解决问题的一种办法。因此本文以BaTiO3为填料、以PVDF为基体,制备一种柔性好、压电性能高的BaTiO3/PVDF复合压电薄膜,并以此为基础进行BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器的制备、性能测试以及应用性分析,主要研究内容如下:(1)对BaTiO3/PVDF复合压电薄膜制备工艺进行优化,设计并采用二次热处理工艺制备薄膜,将薄膜烘干时间缩短至原来的1/15;对复合薄膜进行SEM、TGA、DSC以及力学性能分析,其成膜质量、薄膜性能明显提升;对薄膜极化装置进行设计改良,将夹持点设计为子弹头样式,使得薄膜在极化过程中夹持更稳定同时薄膜极化成功率提高了30%;对BaTiO3/PVDF复合薄膜的制备条件以及极化条件进行探索并得出合理的制备与极化工艺:BaTiO3填充量15wt%,极化场强160MV/m,极化时间40min,极化温度90℃。最终所制复合薄膜压电常数可达38p C/N。(2)对BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器进行结构设计与制备,针对薄膜易受损的问题设计一种“三明治”结构,从内到外分别是复合压电薄膜层,PDMS层,PI胶带层。以金电极为复合薄膜上下对电极,并采用导电性优良的银丝作为电极引线;用PDMS胶对复合压电薄膜进行包覆,其良好的柔韧性能将外力很好地传递给复合压电薄膜,同时保护薄膜不因外力过大而受到损伤;绝缘且耐高温的PI胶带作为最外封装层,可以有效减少外部电场和环境温度对复合压电薄膜传感器工作时的干扰。(3)对BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器进行性能测试,通过搭建实验平台对其输出电压、稳定性、耐久性和灵敏度进行测试,实验结果表明BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器性能优良,5N压力下的电压输出为7.55V,反应时间为52ms,明显优于PVDF压电薄膜传感器和商业PVDF压电薄膜传感器;对BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器进行应用性分析,所制复合压电薄膜传感器均可灵敏响应不同角度的手指弯曲形变并平稳输出;同时所制复合压电薄膜传感器能较好感应不同发音的振动信号且声音振动信号的感应重复性良好。因此制备所得BaTiO3/PVDF复合压电薄膜传感器在微小形变监测和人工智能语音识别方面具有一定的应用潜力。
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