新型声学材料-压电驻极体膜的电声性能研究

Materials industry is the basic industry of the national economy. The new material industry is the pilot of the development of the material industry and is one of the important strategic industries. The research and development of high-performance acoustic materials is bound to accelerate the transformation and upgrading of the associated traditional industries. Piezoelectrets are a new type of piezoelectric material based on space-charge electret with micro-void structure.Such materials not only exhibit a strong piezoelectric effect comparable to piezoelectric ceramics, but also have low acoustic impedance close to that of air, water and human body.Therefore, piezoelectrets can be widely applied in ultra-thin flexible acoustic-electric transducers, ultrasonic transducer, smart skin (sensitive skin), noise control and so on. Based on our preliminary studies, we will design the micro-structure of piezoelectrets, simulate the electro-acoustic properties of the materials, fabricate the designed materials, and characterize the performance of the fabricated materials.The influences of the micro-stucture of the materials and the charge storage capability in the matrix polymers will be also investigated.

新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。高性能新型声学膜材料的研究和开发必将加快推进相关传统产业转型升级。压电驻极体是一类新型的具有压电效应的树脂基多孔结构复合膜材料,它不仅拥有压电陶瓷的强压电效应，还具有与空气、水、人体接近的低声阻抗，是低成本、高柔韧性、超薄、超轻的新型人工微结构电声材料，可广泛用于柔性薄膜音频声电换能器、超声波换能器、智能肌肤（sensitive skin）、噪音控制等领域。本项目拟在前期研究的基础之上，针对声学领域应用的特殊性能要求，对压电驻极体膜微结构和性能进行设计和仿真，利用新工艺制备出人工设计的压电驻极体膜，并对其电声性能进行表征，通过理论和实验的研究明确材料结构特性参数及基体聚合物储电性与膜电声性能的关系，探索压电驻极体膜声电换能器的物理模型，为压电驻极体膜在电声领域的应用奠定理论基础，提供电声材料设计的新思路。

新材料技术是世界上公认的六大高技术领域之一，重点是开发优异的新型结构材料和功能材料，其意义在于一旦研制成功，将会带动整个制造业实现技术突破，这一点对于中国工业创新尤为重要。压电驻极体是一类新型的人工微结构功能材料，本项目对聚丙烯和氟聚合物基压电驻极体膜的制备、微结构和极化参数与材料的压电性能、热稳定性、特性阻抗、频率响应等开展了系统的研究。结果表明：（1）压电驻极体膜的热稳定性与基体聚合物中正负电荷陷阱的深度直接相关，电荷陷阱越深压电膜的热稳定性越高。氟聚合物基压电膜的热稳定性显著优于聚丙烯基的膜；通过电子束辐照交联，聚丙烯基压电膜的热稳定性有一定的提升。（2）压电驻极体膜的特性声阻抗在0.01MRayl量级，是目前所知到的最接近于空气声阻抗的压电材料，是空气耦合声电换能器的理想材料。压电驻极体的聚合物基体和低密度是材料具有超低声阻抗的主要原因。（3）压电驻极体膜在可闻声和低频超声波段具有平坦的响应曲线，适合制备高品质声电换能器和宽频超声波换能器。基于交联聚丙烯压电驻极体的声电传感器在1kHz下的灵敏度约为-48dB；面积为314mm2的基于氟聚合物的压电驻极体膜在100V和50kHz的驱动电压下，在距离样品60cm远处所激发的声场约为0.15Pa。综上所述，压电驻极体膜不仅拥有压电陶瓷的强压电效应，还具有与空气接近的低声阻抗，是低成本、高柔韧性、超薄(~0.05mm)、超轻（密度~330kg/m3）的新型人工微结构电声材料，可广泛用于柔性薄膜音频声电换能器、低频段空气耦合超声波换能器、智能肌肤（sensitive skin）、噪音控制和采集等领域。本项的实施为压电驻极体膜在电声领域的应用奠定了理论基础，提供了实验数据。