压电性聚合物

    压电性聚合物 : 压电性是机械能与电能互相转换的一种性 质。1880年P.居里首先发现无机材料的压电性。 压电性也存在于木材纤维、腱胶原和各种多氨 基酸等生物高分子中,与无机材料相比,压电率 较低,无实用价值。1969年发现使拉伸聚偏氟乙 烯(PVDF)永久介电化,就有很大的压电性。这 是当时已知的较生物高分子高一个数量级的最 大的压电性合成高分子物质。PVDF有柔软性、 成膜性,可制成大面积,这是无机压电材料所不 具备的优点。压电率的大小取决于如何将分子 中所含的偶极子排列成同一方向。因此,压电膜 的制法对压电率的影响很大。有一种在拉伸过 程中施加高压电场,同时进行分子定向排列及 偶极子的定向排列的方法,比过去的方法可提 高压电率2～3倍。从分子结构的观点,作为一种 容易使偶极子定向排列的方法是PVDF与其他 单体的共聚,即采用与PVDF相同的晶体结构, 若增加晶面之间的距离,即使在低电场强度下, 也可引起偶极子的旋转。作为共聚用的单体可 采用三氟乙烯、四氟乙烯等。但有熔点低、热稳 定性差的缺点。作为分子设计中的一种手段是 引入具有比C—F大的偶极矩的原子基团。虽有 关于聚氯乙烯、聚二氯乙烯等的报道,但这些物 质的压电率均未超过PVDF。含有氰基的高分 子,C—CN较C—F的偶极矩高二倍以上。亚乙 烯基二氰共聚体(VDCN)可与各种单体如乙 烯基乙酸酯(VAc)、异丁烯、甲基丙烯酸酯、乙 烯苯甲酸酯等共聚。其中VDCN -VAc显示 有较大的压电性,在相同的极化条件下进行比 较,几乎与PVDF有相同的压电率。这种共聚物 的玻璃转化点为170℃,在此温度下,压电率并 不衰退,高温稳定性超过PVDF。
用途: 压电高分子可用作音响元件及位移 元件。前者因与生物体的音响阻抗的匹配很好, 所以可用作超声波诊断的探头,这种探头与过 去的PZT(钛锆酸铅)比较,在精确度和灵敏度 方面均有较大提高。用同样的原理,可用于超声 波显微镜的振子。此外,也可用于水中声纳、炮 弹引信、头戴耳机、电话、血压计、脉搏计、钟表 音响振子、地应力测试等。将两片压电薄膜粘接 起来,若在两侧施以相反的偏压,这个膜就成为 弯曲的位移元件,利用这种原理,可用作光学纤 维转换元件、自动开关屏蔽、显示器、风机冷却 元件、录像磁盘的中心组合元件、压力的电气转 换功能元件、电子计算机键盘等。永久极化的压 电体的其他性能有: 在温度变化时,所发生的 感生电荷的热电性可半分光波,有作为非线性 光学元件的功能,基于这种强电介质结构,也有 光电动势的效果。所以作为新的声、光、热的传 感元件是大有希望的。关于一些高分子压电材 料的压电常数d及介电系数ε如下表。

某些高分子压电材料的d及ε

高 分 子	ε/10Hz	d/(pC/N)
PVDF P(VDF+TrFE) P(VDF+TFE) PVF PVC PVDC1 PAN PCAN 聚碳酸酯 PMMA PMLG	15.0 18.0 16.0 8.5 3.7 4.0 5.5 6.1 3.2 3.5	40.1 30.0 26.0 1.8 1.7 3.3 1.8 2.1 0.1 0.4 3.5
P(VC+AN) P(VDCN+VAc) P(VDCN+VBe) P(VDCN+MMA) P(VDCN+IB) Nylon 3 Nylon 11 Normex	6.2 6.0 5.5 5.0 4.7 2.5 3.2	0.5 6.0 1.6 0.4 0.2 0.1 0.5 0.3
聚砜 PBLG Tendon	3.0 3.5	0.3 1.3 2.5

注: Hz——赫兹。C/N——库仑/牛顿。
压电常数可以通过正压电效应或逆压电效应来 测定。