[发明专利]一种3D打印聚偏氟乙烯压电薄膜的制备方法

说明书

本发明属于压电薄膜材料制备领域，具体涉及一种3D打印聚偏氟乙烯压电薄膜的制备方法；具体步骤为：首先创建压电薄膜3D模型并进行切片处理；运用3D建模软件建立模型，采用Cura软件对已建立的3D模型进行切片；然后按比例称取多壁碳纳米管和石墨烯，将多壁碳纳米管和石墨烯与N‑甲基吡咯烷酮混合，超声，形成前驱体溶液，加入聚偏氟乙烯粉末和丙酮，超声，得到3D打印墨水；最后，设定打印流程与工艺，启动3D打印机在底板上打印压电薄膜，得到聚偏氟乙烯压电薄膜；本发明得到聚偏氟乙烯压电薄膜柔顺性极好、β相含量高，压电性能优良，在损伤探测、结构振动、医疗器械和人工智能等复杂的环境中有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于压电薄膜材料制备领域，具体涉及一种3D打印聚偏氟乙烯压电薄膜的制备方法。

背景技术

以硅基和陶瓷为代表的传统压电材料脆性较大，无法承受较大的形变，故其作为传感器件难适用于复杂的曲面。而聚偏氟乙烯（PVDF）所表现出的优良的压电性能、高柔顺性、高灵敏度和低响应电荷，使得它在损伤探测、结构振动、医疗器械和人工智能等复杂的环境下作为传感材料具有无可比拟的优势。迄今为止，已经报道的PVDF有α、β、γ、δ及ε等5种晶型，它们的形成条件各不相同，并且在一定条件(热、电场、机械及辐射能的作用)下可以相互转化。商用的PVDF粉末中大部分的晶型为不具备压电性的α相，α相的偶极矩任意排列导致相互抵消而不显示极性。而β相的偶极矩定向排列，β晶型在所有PVDF晶型中具有最好的压电效应，这也是PVDF具有压电性的主要原因。因此，提高PVDF中的β相是增加PVDF压电性的主要手段。

目前，制备PVDF柔性压电薄膜主要有拉伸法、旋涂法以及溶液浇铸法。拉伸法是制造PVDF压电薄膜较普遍的方法，拉伸使薄膜的微观形貌发生明显变化，由球晶变成片晶，α相随之转变为β相，同时薄膜的熔点及结晶度均有提高，体系的应力传递和压电性能得到改善。但是在拉伸过程中容易产生晶格缺陷，无法控制产品形态，难以实现高含量β相，且工艺复杂、耗时、浪费资源。旋涂法制备的PVDF薄膜，可通过控制退火温度和采用高温极化有效制备β相PVDF薄膜。较长的退火时间有利于薄膜的晶化，而较高的退火温度有利于提高β、γ相在薄膜中的含量，保持恒定的结晶温度是膜形成晶体结构的关键。然而此方法受限于温度，太高或者太低的温度都无法产生较高的β相。溶液浇铸法制备出的PVDF薄膜通常具有多孔的特征，表面粗糙不光滑，易形成鼓泡且结膜不致密，使材料易碎且难以进行后续极化处理。因此，当前制备PVDF压电薄膜的方法普遍对工艺要求都比较高，并且制备出来的PVDF压电薄膜的品控低、β相含量低，特别是还需要后续的裁剪和进一步的极化处理才具有良好的压电效应，这对提高相关产品的自动化生产程度极为不利。

3D 打印是一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等可粘合材料，通过切片，逐层打印的方式来构造物体的技术。目前3D打印中所使用的耗材，基本都是硬质耗材，极少涉及柔性材料；并且，关于3D打印柔性压电薄膜的制备方法尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种3D打印PVDF压电薄膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）创建压电薄膜3D模型并进行切片处理；运用3D建模软件建立模型，采用Cura软件对已建立的3D模型进行切片；

（2）配制3D打印用墨水；按比例称取多壁碳纳米管和石墨烯，将多壁碳纳米管和石墨烯与N-甲基吡咯烷酮混合，超声分散至分散均匀形成前驱体溶液；将PVDF粉末和丙酮加入到前驱体溶液中，继续超声分散，得到打印墨水；

（3）设定打印流程与工艺；打印装置包括针管、打印针头、底板、XYZ三轴移动机构和高压直流电源；打印过程中用针管吸取打印墨水，装配打印针头，将高压直流电源正极与针头相连接，高压直流电源负极与底板下部的铜板相连接；固定好针管，调试针头和底板之间的距离，调节直流电源电压，启动3D打印机在底板上打印压电薄膜至打印程序结束，得到PVDF压电薄膜。

优选的，步骤（1）所述切片的参数为：移动速度为30mm/s，切片厚度为0.01mm。