| 单词 | 压电高分子材料 |
| 释义 | 【压电高分子材料】 有研究证实，几乎所有聚合物经极化后，都会呈现一定程度的压电性。但压电应变常数d值达到1012C／N数量级的聚合物却很少。虽然压电聚合物的压电性不及大多数压电晶体、压电陶瓷，但是其力学性能独特(如良好的柔韧性)、密度小、声阻抗低、介电常数小、介电强度高、去极化电场高及易于加工等特点使其不但在某些应用方面可与压电晶体、压电陶瓷竞争，而且还拓展了压电材料的应用领域。在制造大面积薄膜状的、柔性的、形状复杂的压电元器件方面则更是脆性的压电晶体和压电陶瓷所不及的。研究还表明，象聚合物的力学性能、介电性能一样，其压电性也具有松弛的性质，这就为研究聚合物微观念结构及大分子运行提供了新的手段。在压电聚合物方面，无论是基础性研究、应用性研究或是产品开发等都颇为活跃。压电聚合物已成功地用于制造各种用途的压电传感器和换能器，如力敏传感器、微振动传感器、冲击波传感器、机器手敏感皮肤、麦克风、扬声器、超声换能器等。 根据极性基团偶极子与大分子主链连接关系，可将聚合物分为A、B、C3种类型。A型聚合物(如聚醚类)偶极子的取向被认向为与大分子链的运行或大分子链末端距的变化相关。B型聚合物(如聚偏氟乙烯)偶极子的取向被认为与大分子链段的运行相关。C型聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯)偶极子的取向则与侧基的运动相关。可独立于主链而运动。结晶性聚合物的压电性研究得最为系统的还只限于聚偏氟乙烯、偏氟乙烯与其它氟代乙烯的共聚物，这可能是因为聚偏氟乙烯体系仍是已发现的压电性最强的聚合物。关于聚偏氟乙烯的压电机理，大致可分为两种理论。一种理论认为聚偏氟乙烯的压电性是源于极化过程中，由电极注入的实电荷被β晶相内部或表面上的陷阱所捕获。这种陷阱是在电场作用下形成的，而且给注入电荷以极其稳定的位置。另一种理论认为聚偏氟乙烯与压电晶体、压电陶瓷等类似，其压电性是起因于偶极子取向。β晶相的结构特点使其偶极矩最大而又有利于极化，但居里温度仍是一个有争议的问题。压电性的聚偏氟乙烯已在不少高技术领域获得了应用。奇数的聚酰胺具有特殊的氢键结构和高偶极矩的酰胺基团，被认为是一种可能具有较强压电性的结晶性聚合物。1969年，F．Kawai曾经报道尼龙11压电常数d31为0．5×10－12C／N。1986年，S．S．Mathur发现，对尼龙11，由粹体缓慢冷却的薄膜压电常数d31增加到3．2×10－12C／N。如果由溶体急冷淬火，则d31增加到3．2×10－12C／N。如果由熔体急冷淬火，则d31增加到3．2×10－12C／N。如果由熔体急冷淬火处理和拉伸取向，其d31可增加到4．3×10－12C／N。将尼龙11制成溶液，并加入增塑剂，再进行浇铸成膜，然后热压并急冷淬火，可使d31值达到8．1×10－12C／N。用类似的方法处理尼龙7，其d31值达到9．2×10－12C／N。奇数的聚酰胺的压电性随结晶度的下降而提高，与聚偏氟乙烯有所不同，这也说明聚合物的压电机制远非完善。聚丙烯腈含有高偶极矩的极性基团，但并未显示很强的压电性，这被认为是其过大的分子间作用防碍了偶极子的取向。早在60年代就已经注意到了一些非晶的(无定形)极性聚合物极化后，具有相对明显而且稳定的压电性，又发现了聚偏氟乙烯的强压电性以及压电性与其β晶相含量成正比的关系。但是，1980年S．Miyata等报道了偏腈乙烯［CH2=C(CN)2］与乙烯类单体的共聚物经同一拉伸和极化条件处理后，显示出与聚偏氟乙烯相当的压电性。偏腈乙烯的的均聚物是不稳定的，易于水解，但与乙烯类单体共聚后却是稳定的。偏腈乙烯与醋酸乙烯酯共聚物的压电常数d31为7×10－12C／N，而与苯乙烯的共聚物，d31为5．2×10－12C／N。偏腈乙烯与异丁烯、甲基丙烯酸甲酯的共聚物也显示了压电性，不过d31值要小些。这些偏腈乙烯与乙烯类单体的共聚物有一个共同特征就是不规则的构型使其无法结晶。偏腈乙烯与醋酸乙烯酯共聚物［P(VDCN／VA。)］已由日本的三菱油化公司作为压电高分子材料开发生产。结晶性的聚丙烯腈压电常数d31为1×10－12C／N。如果将丙烯腈与大约7%的甲基丙烯酸甲酯共聚，形成非晶性的聚合物，其拉伸薄膜的压电常数d31可提高到3×10－12C／N，不过d31会随时间而下降。对聚氯乙烯的研究结果表明，极化聚氯乙烯薄膜的压电应变常数d33值为2．1×10－12C／N，压电电压常数g33达到73．9×10－3V·m／N，与经典的压电材料石英晶体的压电性相当。非晶性聚合物的极化条件，与结晶性聚合物比较，无太大差别，只是极化温度要设置在玻璃化转变温度附近。对于非晶性极性聚合物压电性的解释，类似于结晶性极性聚合物。一般也有两种说法，即“实电荷”理论和“偶极子取向”理论。不同的只是非晶极性聚合物无论是实电荷还是偶极子取向都被认为是一种非热力学平衡态，这是因为实电荷或偶极子取向的稳定是通过冻结而不是结晶来实现的，但动力学上是稳定的。现在看来，持“偶极子取向”观点的人似乎更多些，因为这一观点在指导寻找新的压电聚合物时比较成功。例如，日本小高忠男研究了属于A型偶极结构的聚合物顺式聚异戊二烯(cis-PI)和聚磷腈橡胶(PPPN)。依据大分子链取向、大分子末端距与其偶极矩的关系进行极化处理，使既不是结晶态，又不是玻璃态，而是高弹态的聚磷腈橡胶获得了可观的压电性。这一结果在压电理论和应用上都极有意义。(华南理工大学欧阳萌、龚克成撰) |
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