[发明专利]一种聚合物基压电薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于压电材料技术领域，具体涉及一种聚合物基压电薄膜及其制备方法和应用。本发明提供的聚合物基压电薄膜，包括聚合物和掺杂的二维层状结构化合物；所述聚合物与二维层状结构化合物的质量比为100：(0.1～2)；所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯‑六氟丙烯和聚偏氟乙烯‑三氟乙烯中的一种或多种；所述二维层状结构化合物的化学组成为M_n+1X_nT_y，其中n＝1、2或3，M为过渡金属元素，T为‑O、‑OH或‑F官能团，X为碳元素或氮元素。本发明提供的聚合物基压电薄膜，解决了传统PVDF材料压电性能不足的难题，实验效果表明，本发明提供的聚合物基压电薄膜具有良好柔性和优异的铁电性能、压电性能。

技术领域

本发明属于压电材料技术领域，特别涉及一种聚合物基压电薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

聚偏氟乙烯(PVDF)是目前唯一商用化的压电聚合物材料，具有压电性佳、线性好、频带宽、时间稳定性强、价廉、耐磨和质轻等优点，并且具有似人类皮肤的柔软度和人体良好生物相容性，在柔性传感器、换能器等领域有着极广阔的应用。但是，受限于PVDF的较低压电应变系数(如d₃₃，d₃₁)水平，基于PVDF传感器等电子器件的性能仍处于较低水平，制约了其在现代高科技领域的应用范围。如何提高PVDF基聚合物材料的压电性能并实现其低成本工业化生产具有重要意义。

中国专利CN108264710A设计了一种通过添加石墨烯增强PVDF-TrFE的压电性能的方法，该复合膜通过加入石墨烯制备薄膜并进行单向拉伸处理，制备出柔性纳米发电机；中国专利CN107955196A公开了一种在PVDF-HFP基体中添加氧化石墨烯提高薄膜压电性能的方法，该方法可提高薄膜的结晶度，制备工艺简单，可进行大规模的薄膜制备。但目前仍难以提高聚合物基的压电性能并实现其低成本工业化生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚合物基压电薄膜，解决了传统聚合物基材料压电性能不足的难题，具有优异的压电性能和较低的成本；本发明还提供了一种聚合物基压电薄膜的制备方法和应用。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种聚合物基压电薄膜，包括聚合物和二维层状结构化合物；所述聚合物与二维层状结构化合物的质量比为100：(0.1～2)；

所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚偏氟乙烯-三氟乙烯中的一种或多种；

所述二维层状结构化合物的化学组成为M_n+1X_nT_y，其中n＝1、2或3，M为过渡金属元素，T为-O、-OH或-F官能团，X为碳元素或氮元素。

优选的，所述二维层状结构化合物包括Ti₃C₂、Ti₂C和Ti₄N₃中的一种或多种。

本发明还提供了上述技术方案所述聚合物基压电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

将聚合物与二维层状结构化合物混合，得到纺丝浆料；

将所述纺丝浆料依次进行静电纺丝和第一热压，得到初始薄膜；

将所述初始薄膜依次进行层叠、第二热压和轧制，得到所述聚合物基压电薄膜。

优选的，所述聚合物以聚合物溶液的形式加入；所述聚合物溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述聚合物溶液中聚合物与溶剂的质量比为1：(2～10)。

优选的，所述二维层状结构化合物以二维层状结构化合物溶液的形式加入；所述二维层状结构化合物溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述二维层状结构化合物溶液中二维层状结构化合物与溶剂的质量比为1：(2000～10000)。