pvdf传感器 深入解析PVDF材料：特性，应用与未来展望
深入解析PVDF材料：特性、应用与未来展望
在现代工业和科技领域，高性能材料扮演着至关重要的角色。PVDF（聚偏氟乙烯）作为一种独特的高分子聚合物，因其卓越的物理和化学性质而受到广泛关注。本文旨在深入探讨PVDF材料的特性、应用领域以及未来的发展前景。首先，让我们了解PVDF是什么。PVDF是一种高度非反应性、半结晶的热塑性含氟聚合物。它由重复的-CH2-CF2-单元组成，这种结构赋予了它优异的耐化学腐蚀性、高强度、高耐磨性以及良好的热稳定性。由于这些特性，PVDF被广泛应用于各种行业。在建筑行业中，PVDF常用于生产耐腐蚀的屋顶和墙面材料。其耐候性和耐久性使其成为户外建筑材料的理想选择。此外，PVDF还被用于制造管道、阀门和其他流体处理设备，因为它能抵抗多种化学物质的侵蚀。电子行业也广泛利用PVDF的独特电性能。PVDF具有压电和热电性质，意味着它可以在机械应力或温度变化下产生电压。这一特性使PVDF成为传感器、换能器和能量收集系统的关键材料。例如，在智能纺织品中，PVDF纤维可以捕捉人体运动产生的电能，为可穿戴设备供电。在涂料行业中，PVDF以其出色的耐候性、色泽稳定性和抗紫外线能力而闻名。它被用作高性能涂料，保护金属表面免受腐蚀和风化的影响。航空航天领域中，PVDF的应用包括飞机和宇宙飞船的绝缘层，因其轻质和耐高温特性而备受青睐。除了上述应用外，PVDF的研究还在不断进展，科研人员正在探索其在能源存储、生物医药和环境工程等领域的新用途。随着技术的进步和市场需求的增长，PVDF材料的潜力仍在不断被挖掘。展望未来，PVDF材料的发展可能会集中在提高其性能、扩展其应用领域以及开发更环保的生产和回收方法上。随着对可持续材料需求的增加，如何高效回收和再利用PVDF将成为研究的重点之一。综上所述，PVDF是一种多功能、高性能的材料，其广泛的应用前景和不断的技术进步使其成为现代工业不可或缺的一部分。随着对PVDF深入研究的持续进行，我们有理由相信，这种材料将在未来的技术和工业发展中发挥更加重要的作用。
更多信息请查阅：深入解析PVDF材料：特性、应用与未来展望-上氟新材
什么是压电电压传感器？
压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。
压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。
压电电压传感器工作原理如图1所示，其主要基于逆压电效应，将施加于压电材料上的电信号转换为位移或者形变信号，再进一步通过其他方式进行检测，进而实现对电压信号的量测。
图1 压电电压传感器检测示意图
压电电压传感器可分为基于应力检测的压电电压传感器、基于光检测的压电电压传感器和基于电容值检测的压电电压传感器。
1 基于应力检测的压电电压传感器
压电电压传感器研究早期，K.Kawamura等使用压力传感器对压电材料的电致应变进行检测，如图2所示。检测电压峰值可达26kV，测量误差小于2%，频率测量范围0~2.5kHz。但此类传感器检测范围和精度易受附加压力传感器限制，且需额外电源供电，增加了电压传感器的复杂性，难以满足新型传感器小型化、无源、抗干扰能力强等要求，实际应用困难。
图2 基于应力检测的压电电压传感器
2 基于光检测的电压传感器
相比于基于应力检测，通过利用无源光学器件测量压电材料形变更为便捷。K.M.Bohnert等将石英压电晶体与双模光纤联用，通过检测光纤中的相干光相位变化对压电材料形变进行测量，频率测量范围50Hz~11kHz，测量电压高达520kV，但其设备体积较为庞大；另有研究人员联用PZT等高压电性能陶瓷多晶与光栅器件，将难以准确测量的压电材料形变转换为光栅中心波长变化进行检测，有效提高了测试精度。
G. Fusiek等使用多个厚度为4mm的PZT压电陶瓷片构成叠层结构，以放大压电陶瓷在同等电压下的位移大小。传感器最大量程5kV，频率测量范围50Hz~20kHz。研究者采用外加铝制结构对压电陶瓷到光纤光栅的位移进行传递，减小了对单个压电陶瓷片厚度的要求，但位移的多次传递可能引入额外的测量误差。
3 基于电容值检测的电压传感器
此外，Xue Fen等将两层极化方向相反、两端固定的PVDF压电薄膜叠加成电容的上电极，外加固定的电容下电极组成压电式电压传感器。当外加电场变化时，PVDF薄膜发生弯折电容极板结构变化，导致电容值发生变化，通过实时测量电容值来反推外加电场的信息。
尽管压电聚合物薄膜（PVDF）在厚度方向的伸缩振动谐振频率远高于普通压电陶瓷，可获得接近10MHz宽频带响应和22kV/cm的测量量程，但由于其压电系数远远小于普通的压电陶瓷，形变通常在nm级，即使使用光学器件也很难对其检测，因此使用PVDF进行电压/电场传感研究的难点在于将微纳级形变转换为其他可测、易测的物理量。
本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。
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