柔性PVDF电致动原理探究及应用

杨嘉凯 张美佳 杨玉卓 王雅静

摘要：本文首先介绍了压电效应及新型压电换能材料PVDF，主要分析了其电阻、压电常数以及电致动原理，验证了其压电效应以及柔性驱动特性。该材料在振动检测、实时自发电领域具有很高的价值。本文也提出了一种通过PVDF实现人体机械能一电能转换的装置，对于能量的二次利用具有深远意义。

关键词：PVDF;压电效应;电致动原理;发电装置

1、压电效应概述

压电效应原理为：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。

正压电效应如图1（a）所示，压电材料在机械力作用下会发生形变，内部产生极化现象，在材料体表面出现异性电荷，电荷密度与力的大小成正比，使“力”产生“电”。逆压电效应如图1（b）所示，将压电材料放置在外电场中，压电材料内部正负电荷的中心位置发生偏移，产生压电材料有形变量，使“电”产生“机械形变”。

2、PVDF电致动原理

PVDF（聚偏二氟乙烯）具有优良的压电效应，同时其可以切割为50um～240um之间的任意厚度，且厚薄均匀。目前市场上主流PVDF材料厚度为50um、105um、170um，两表面真空镀银（或镀铬），在60mm×60mm的面积内，厚度均匀度不超过4um。下面对PVDF电致动原理进行具体分析：

2.1、绝缘电阻

对于厚度为54um～240um的几种PVDF薄膜，用B&K2423型兆欧表，直流电压加到100V，在环境温度20℃，相对湿度67%的情况下，测量其绝缘电阻，均高于20000MQ，证明了PVDF具有相当好的绝缘性。

2.2、压电常数

压电常数是压电材料最重要的性能之一，它直接影响由它做成的传感器的电荷灵敏度。为了获得较高的灵敏度，要求PVDF材料的压电常数尽可能大，同时追求PVDF材料对温度的较低敏感度。

3、柔性PVDF薄膜标定

选择PVDF作为压电材料主要是因为其稳定性，即在使用时，电阻不应起伏变化，因为它会引入电噪声源。而PVDF材料的小断面特性很好地解决了这个问题。同时由于它的上、下焊片相互错开并彼此相对，使得有效面积（重叠电极）被精确定义，对于材料的标定以及电路系统的稳定性都具有特殊意义。

3.1、信号放大

同时由于柔性PVDF材料直接转换的电能较微弱（1.4V/g），普通方式难以正确采集也不稳定，所以需要外加电荷放大模块，本方案使用的放大模块型号为ICA10X，在PVDF标定时选定Piezo放大器。放大模块可以将被测量的电信号放大20倍，形成实时自供电的电路系统。

3.2、晶型标定

PVDF材料主要存在a、B和y三种晶型，其中B晶型具有显著的压电活性，利用PVDF材料制备的压电薄膜具有柔性、对温湿度和化学物质高度稳定性、耐冲击性强、失真小等优点。通过选取0.3mm厚的PDMS薄膜作为支撑层，将0.2mm厚的PVDF薄膜设计成拱形结构可以获得更好的电致动特性。

3.3、主要优点

将柔性PVDF材料与普通力学传感器对比，可以发现其有如下优点：

（1）质轻柔软，对结构的力学性能影响很小，与结构有着良好的兼容性。

（2）电压灵敏度高，便于信号采集与处理。

（3）具有良好的机械强度和韧性，对湿度、温度和化学物质表现出很高的压电稳定性。

（4）对于机械应力或应变响应快速，便于测量冲击载荷引起的变形。

（5）具有较宽的频率范围，能达到0.1Hz到几个GHz。

（6）布置简单，对外接设备要求较少。

4、PVDF选型

本项目提出了一种基于双拱形结构的增强型柔性压电发电装置，能够作为自供电传感器监测环境振动机械能，其中，上拱形是根据装置结构特征设计的PVDF压电薄膜，下拱形是带有均匀梯形体微结构的PDMS薄膜。

上下拱形结构利用并联方式连接，通过中间共享电极提升压电单元的电荷密度。由于独特的拱形结构设计，PVDF薄膜具有显著的压电势能，在按压和释放的过程中，压电层能够产生平稳的高输出电能。将双拱形结构的压电层作为传感器的敏感单元，在6mm的振动幅值下，其灵敏度为2.12V/g，线性误差为5.91%。

5、PVDF材料应用举例

如图3-1所示为一种可穿戴式PVDF发电装置的简图。该装置穿戴在身上时可采集并转化人运动的机械能为电能，最终加以利用。

并且该装置可以在平时多场合佩戴，例如在办公室、家、健身房等场合。它的使用形式也分为多种形式，既做到了能源的收集，也可以作为装饰品。通过时刻与身体的交互，实现将人体运动产生的机械能经柔性压电装置转化为电能储存在后续的超级电容中，其产生的电能可以为手机、小型音响等设备进行供电。

6、执行总结

本文对柔性PVDF材料進行了介绍并分析了其电致动原理，该材料在振动检测、实时自发电领域具有很高的价值。同时提出另一种可穿戴式压电换能装置，并采用高导电性能的电路对其外接设备进行供电，减少传输到储存电能的电能损失，对于能量的二次利用具有深远意义。