恶劣环境下具有表面电场自恢复功能的三明治型驻极体薄膜研究

Electret membrane has great potential applications in intelligent sensor, micro electro mechanical system and wearable device. However, the existing Electret membranes often fail in harsh environment because of the permanent damage of surface potential. This project will develop sandwich Electret membrane with surface potential self-recovery against harsh environment. The main research contents include: fabrication and optimization of sandwich Electret membrane, special charge injection methods for sandwich Electret membrane, surface potential self-recovery and its potential mechanism as well as themo-stability. In this project, we propose to build sandwich Electret membrane with dipole charge in the middle layer and establish an appropriate charging method. The dipole charge in the middle layer, protected by surface layers on both sides, is very stable in harsh environment, which is a key factor to achieve surface potential self-recovering Electret membrane. The themo-stability is improved by optimizing the component ratio of the middle layer in the sandwich Electret membrane. Related research might shed light on mass product of intelligent sensor, micro electro mechanical system and wearable device.

驻极体薄膜在智能传感器、微机系统（MEMS）和可穿戴设备等方面拥有非常广泛的应用前景，但已有驻极体薄膜不能适应恶劣的工作环境；在高温和高湿度的环境下，驻极体薄膜的表面电势受到破坏。本项目拟研制在恶劣环境下具有表面电场自恢复功能的三明治型驻极体薄膜。研究内容包括：三明治型驻极体薄膜的制备和最优化设计，三明治型驻极体薄膜的充电方法研究，表面电场自恢复性能的表征和机制，耐高温性能的表征。本项目拟通过构建中间层材料具有偶极电荷的三明治型驻极体薄膜，确立针对该类型薄膜的充电方法，实现中间层偶极电荷在恶劣环境下的高稳定性，确立三明治型驻极体薄膜的表面电场在恶劣环境下具备自恢复性能；通过薄膜材料的优化，实现三明治型驻极体薄膜的耐高温性能。本项目的顺利实施，有助于充分发挥驻极体薄膜在恶劣环境中的应用潜能，为驻极体薄膜在微振动能量采集器、智能传感器和可穿戴设备等方面的产业化应用提供可能的解决方案。

驻极体薄膜在智能传感器、微机系统（MEMS）和可穿戴设备等方面拥有非常广泛的应用前景。本项目制备了三明治型FEP/THV/FEP复合驻极体薄膜，并对其物理特性进行了测试和分析，发现“电晕+热极化+电晕”极化方式制备的FEP/THV/FEP复合驻极体膜具有明显的双极性和优异静电场稳定性，制备的薄膜材料在完成极化300小时后，充电面的电压稳定在-1400V左右，存储400小时以后复合膜表面电位仍没有明显衰减，表明该驻极体膜具有非常好的静电场稳定性，有效提高了驻极体薄膜材料中电荷的存储密度和稳定性，改善了驻极体上电场分布的均匀性；基于驻极体铁电薄膜材料设计了1：1交错层钛酸锶钡超晶格材料，理论研究表明，构建的超晶格材料横向、剪切挠曲电系数分量与块体钛酸钡相比提升约6倍，有效地提升了材料的挠曲电性能；传统驻极体薄膜充电完毕后，电荷性能通常不能调控。基于驻极体铁电材料的铝酸镧/铌酸钾超晶格材料的界面中存在二维电子气，对材料施加不同的应变梯度有望对界面二维电子气进行调控。理论计算结果表明，压缩型应变梯度使界面二维电子气浓度减小了76.4%，拉伸型应变梯度使界面电子气浓度增加约23.9%；在俘能材料方面进行了探索，设计了一种针对环境振动能量采集的局域共振型声子晶体板结构并用于振动能量采集，可作为驻极体俘能材料的一种备选方案；此外，本项目探索了柔性准二维金属卤化物钙钛矿超晶格内界面的载流子动力学行为。本项目的研究结果对提高驻极体及相关材料中极化的增强等具有重要的意义，为驻极体薄膜与新型钙钛矿机电材料与器件在微振动能量采集器、智能传感器和柔性可穿戴设备等方面的产业化应用提供了可能的解决方案。