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驻极体传声器中驻极体的材料的加工方法

驻极体传声器中驻极体(electret)是指一类能长期带电的电介质材料。其带电包括电介质本身极性单元取向形成的偶极子以及内部离子的移动和由外部注入的空间电荷。尤其指一些受电场作用后发生极化且极化电荷在电场去除后仍能保持极化电荷“永久”存在于电介质表面或体内的一类物质。

驻极体具有体电荷特性,即它的电荷不同于摩擦起电,既出现在驻极体表面,也存在于其内部。若把驻极体表面去掉一层,新表面仍有电荷存在;若把它切成两半,就成为两块驻极体。这一点可与永久磁体相类比,因此驻极体又称永电体。

驻极体性能上的效应一般表现有静电效应、压电效应、铁电效应、热释电效应、非线性光学效应和生物效应等:

1、静电效应是指电介质进入驻极体的外部静电场时,由于静电感应而带电的现象。在人们的生活中已经出现了很多利用驻极体静电效应工作的器件,如薄膜驻极体传声器已广泛使用于广播、电视、录音、舞台扩声等各个领域了。利用驻极体的静电效应制作成驻极体空气过滤器等过滤设备也已投入大量的生产。

2、压电效应包括正压电效应和逆压电效应。压电性(Piezoelectricity)是一种机电能互换的现象。在驻极体的两个表面蒸镀上金属电极,当作用一定的拉力或压力在表面使其发生形变时,金属上的感应电荷发生变化从而在外电路将会有相应的电流产生。这种现象称为驻极体的压电效应。同理,当在双面镀电极的驻极体表面加上一个变化的电压时,也将使驻极体的厚度发生变化。这种现象称为驻极体的逆压电效应。利用压电驻极体的压电性即在外力作用下产生电荷这个现象,可采用压电材料进行对重型机械、轮胎压力和车内温度的监控,也对轮船和飞机等运动物体产生的振动进行机械能到电能的转换,并用它为无线收发器、传感器及微型马达等提供电源。

3、热释电效应的原理与压电效应相同,只不过作用的方式发生了变化,主要是热应力的作用替代了压力的作用。与压电效应类似,热释电性是材料对温度变化的一种响应。一般在极性电介质材料中如果含有自发极化或冻结取向极化的偶极子,则都具有热释电性。利用驻极体的热电性,则可制作红外监测器、夜视仪的接收屏幕和防火报警器等。

4、铁电效应是指驻极体中存在一些铁电畴其内部的偶极矩取向相同,而对于不同的铁电畴内偶极取向不同。平衡状态时在宏观上表现的总偶极矩为零。当有外电场作用时,偶极矩向同一方向取向因此发生了极化,但当电场移去之后体内的偶极矩又归于零。具有铁电效应的材料为铁电体,铁电体的极化强度与电场直接存在一定的关系,用图形表现称之为电滞回线。通常铁电体具有很高的电容率,而且必定同时具有压电性和热电性。利用铁电效应可以制作铁电存储器、电容器、各类传感器等。


驻极体材料有生物驻极体材料,无机材料,高分子聚合物材料等:

大多数生物聚合物都存在着明显的驻极态,比如骨骼、皮肤、毛发以及血液血管等,而这些天然的驻极体材料都是极性材料。因为构成生物体的胶原蛋白和血红蛋白等基本大分子都储存着较高密度的偶极子和分子束缚电荷,如生物体各器官都是由生物驻极体材料组成的,驻极体材料是人工器官材料的最重要研究对象之一。

无机驻极体材料包括二氧化硅、钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氮化硅等材料。

有机驻极体材料主要是一些高分子聚合物材料,按照其分子结构特点以及功能和性质可以分为三类。第一种是高绝缘性氟聚合物,如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯共聚物(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、以及聚三氟氯乙烯(PCTFE)等。第二种是极性聚合物,如聚偏二氟乙烯(PVDF)和第三种非极性聚合物,如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)以及聚酰亚胺(PI)等。这些高分子聚合物一般都有长期储存电荷的能力,并且在环境较为恶劣时也能保持长久的稳定性,因而成为众多的研究和应用的材料之一。


驻极体材料的加工方法

(1)热极化

通过热极化方法将某些极性固体电介质制备成驻极体是最早采用的驻极体形成方法。热极化法是以恒定速率从室温升温到极化温度(偶极子的可能取向温度)后,对电介质材料施加一外电场,从而使热活化的分子偶极子可能沿电场方向取向(或包括空间电荷注入),并在维持电场时将温度冷却到一低温值,以冻结取向偶极子(和促进空间电荷的捕获),随后,取消外场完成电介质的热极化用热极化形成的驻极体称热驻极体(或极性驻极体)。

热极化过程中呈现三类充电现象:1、偶极子取向,或由电介质内空间电荷分离所形成异号电荷的内部极化;2、由于气隙间的火花放电在样品内沉积的同号电荷;3、通过接触电极注入同号电荷。

热极化的主要缺点是样品中电荷横向分布不太均匀,注极效率较低。

热驻极体在压电传感器和热释电检测器领域中得到广泛应用。

(2)电晕充电

电晕充电是目前使用最广泛的充电方法之一。电晕充电过程中,注入电介质内的电荷极性和数值,以及电介质横向电荷的均匀性都可以进行有效的调控。在常温或高温下对样品进行栅控电晕充电,可获得所需表面电势的面电荷或一定含量的体电荷分布的空间电荷驻极体。

电晕放电是由一针状电极和一平板电极构成的系统,并在针和板之间加一平面金属栅网,以改善电荷的均匀性。极化时,将样品安放在接地的平板电极上,针状电极上接高压。当金属针加上高压时,针端下方的空气产生电晕电离,因而在针端下方的空气产生脉冲式局部击穿放电,载流子在电晕电场的作用下沉降到样品表面,有的深入表层被陷阱捕获,从而使样品成为驻极体。

早在20世纪50年代中期,人们就开始用电晕方法对固体电介质表面进行充电。最初采用的是点(针端)与平面(薄膜)表面的放电效应。其主要装置是一根金属放电针(如鸽针)加上几千伏(一般为5~10kv)的正(或负)高压。当金属针加上高压时,针端附近的空气产生电晕电离,因而在针端下方的空气产生脉冲式局部击穿放电,载流子在电晕电场的作用下到达样品表面。根据针尖电极极性,或正或负的离子可以沉积于电介质的表面上,这时,电介质表面上沉积了与放电针极性相同的真实电荷,获得了空间电荷驻极体。由于单针电场的横向不均匀性,导致注极后材料表面的电荷分布沿横向呈针形分布。

自20世纪80年代初期开始,人们开始采用栅控电晕充电方法,即在电晕电极和样品间的气隙中附加一个平行于样品表面的平面金属栅网(例如用40目左右的铜或不锈钢丝分级筛网),并提供一定量值与电晕电压同极性的电压(栅压),形成了栅控恒压电晕充电。利用这样的装置既使样品捕获电荷实现了横向分布均匀,同时又有效地控制了样品的注入电荷密度。

在驻极体的多种极化工艺中,电晕充电技术因为具有设备简单,操作方便,充电效率高等优点而在工业驻极体生产中被广泛应用。空间电荷驻极体广泛用于声传感器和空气过滤器等领域中。

(3)液体接触法充电

液体接触法充电是驻极体制备过程中常用的充电方法之一,其主要目的是把空间电荷从导电液体转移到待极化的电介质表面。然后,再经老化工艺把电荷从介质的表面导人体内,从而获得高电荷密度和长电荷储存寿命的驻极体。

经单面镀电极的高绝缘性电介质薄膜的自由面上放置一个覆盖潮湿棉织品(或毡)的电极,并在上下电极间施加量值为100~1000V的电压。作用在液层上的电场引起电荷的分离及离子迁移。如果在维持电场的条件下,将上电极抬起,并使液体蒸发,则样品注极成功。适合于接触法充电的液体包括酒精、丙酮和去离子水等溶液。利用这些溶液可以制备具有比外加电压略低的正负表面电势和较高电荷密度的驻极体。值得注意的是,液体接触法充电过程中电荷的传递是由液体一电介质界面处所形成双电荷层分离产生的。如果软湿套头中的液体含量过多,对接触注极所形成的驻极体的横向分布的均匀性不利。

对聚合物表面进行大面积的液体接触法充电,可以通过软湿电极沿样品表面的均匀移动来实现。为保证电荷在电介质中的有效储存,在电场取消以前,抬高电极并让液体蒸发。这种方法的基本优点是仪器设备简单,通过外加电压可以有效地控制初始电荷密度和电荷密度的横向均匀分布等。

(4)光极化

将许多具有光电导特性的电介质材料的单面或双面覆盖电极,在极化电场对电介质作用的同时,利用可见光或各种波长的单色光、紫外光或激光照射材料表面,将电介质中的电子从常态或深捕获态激发至导带,进而形成准永久分布的空间电荷驻极体称光驻极体。这种注极方法叫光极化。

光驻极体的形成过程是:将光导电介质材料的单面或双面覆盖透明电极,在施加外电场的同时,用波长小于电介质光吸收阔值的紫外或可见光辐照,从而将价带或深能级中的电子激发进入导带,并在外电场作用下,使可动载流子捕获在局域陷阱中光照使这类捕获电荷再次激发脱阱进入导带和在电场作用下迁移,最终漂移到达电介质的外表面。这时一部分可动载流子到达电极形成电流,另一部分在输运途中被捕获在邻近电极的介质陷阱内,形成空间电荷层。在光照和外电场取消后,电介质中即储存了稳定的异号电荷,形成了光驻极体。

光驻极体已经被广泛用于电子照相和复印技术中。

(5)电子束充电

电子由真空中加热的灯丝发射,被加速后送到阳极,充电介质就覆盖在阳极板上。

种方法的优点是能有效地控制样品电荷埋藏深度及样品表面电位和横向分布,并能保证电荷面密度的均匀性。

(6)压力极化

早在19世纪Kelvin就发现聚合物在塑性变形期间会出现电荷积累。20世纪50年代有人将某些聚合物在高温下经机械压缩,再将已形成的极化通过低温冻结而制备压力驻极体。

所谓压力驻极体就是通过高压作用而使电介质中的电偶极子取向或分子电荷分离,随后处于冻结状态而形成的驻极体。其形成工艺是将一块聚合物板或盘加热至接近玻璃相变温度附近,施加压力一定时间后,再在维持该压力的条件下将样品冷却至室温取消压力后,即形成压力驻极体。压力驻极体可取材于极性材料和非极性材料,但不同类型材料的驻极体行为有明显的差异。

(7)磁极化

与光极化方法相似,如果把某些电介质加热至软化温度或玻璃相变温度以上时,再在0.1~1T的强磁场中极化并维持磁场冷却至室温,即能实现电介质的永久极化。由此形成的驻极体称为磁驻极体。和热驻极体的制备工艺相比较,除了用磁场代替电场外,其他工艺和热驻极体完全相同。

(8)辐射极化

放射性驻极体的制作一般是利用α、β或γ射线照射天然蜡、硅酸硼玻璃及一些高分子聚合物等电介质。

照射过程中放射线产生了二次电子,电子会被电介质内的陷阱捕获,从而形成了驻极体。