热刺激放电技术及其在聚合物驻极体声表面波材料研究中的应用

论文摘要

近年来，随着科学技术的迅猛发展，声表面波器件在通信、雷达和电子对抗领域中的优势越来越明显，已经取代了许多传统的模拟电子器件，同时，各种新型的声表面波用压电材料也层出不穷。有机聚合物驻极体是20世纪40年代兴起的一种新型驻极体材料，因其优异的压电性能而被广泛地应用于商业生产中，并在工业和医疗领域发挥了巨大的作用，如将它用作声表面波（SAW）器件的基底材料不仅不需要昂贵的非压电衬底，还能改善传统声表面波压电基底质脆的缺点。然而SAW器件对材料的压电性能要求很高，聚合物驻极体的压电性主要来源于材料体内的电荷存储能力，为了提高聚合物驻极体材料的压电系数，首先要提高聚合物驻极体的电荷存储密度及其稳定性。热刺激放电法是研究驻极体宏观规律及微观特性的基本方法之一，它能够在短时间内给出驻极体的退极化规律，帮助人们理解驻极体内电荷的存储方式和衰减过程，是研究和开发新型驻极体的基本工具。采用热刺激放电法来研究聚合物驻极体材料的电荷存储特性，能够快捷、简便地获取材料的极化电荷类型以及电荷存储机制相关信息，根据这些信息对充电方法进行改善，便能有效提高聚合物驻极体的电荷存储能力。本论文首先设计开发了一台TSC-DH型热刺激放电测试仪，研究了人工智能控制算法在该仪器控温系统中的应用，并开发了该仪器的计算机自动数据采集和绘图软件，简化了热刺激放电实验后期数据处理的工作。在此基础上，论文对声表面波压电材料的研究现状以及聚合物驻极体材料用作声表面波器件的可行性做了分析，选取聚丙烯、聚四氟乙烯和氟化乙丙烯共聚物三种原生聚合物薄膜，采用电晕充电法和热极化方法制备了单面镀铝的聚合物驻极体样品，并对样品做了表面电位跟踪实验和TSD实验，经过研究和分析得出以下结论：1)TSD实验的电流峰位置会受升温速率的影响，为了提高TSD实验结果的可信度，本论文研究了人控制能控制算法在DH-TSC型热刺激电流测试仪中的应用，研究结果表明该算法实现了加热系统的线性升温，提高了TSD测试仪的实验精度。2)为了简化TSD实验的后期数据处理工作，本论文采用Microsoft VisualC# 2008工具及Microsoft.NET Framework 3.5平台开发了数据采集和绘图软件，该软件实现了TSD实验中电流值和温度值的同步采集以及自动绘图，简化了TSD实验后期数据处理工作。3)为了防止聚合物薄膜在驻极中因电极与薄膜间的气隙而发生复杂的充电现象，以及保证TSD实验中驻极体薄膜的背电极良好接地，聚合物表面需要蒸镀一层均匀、完整的金属电极，由扫描电镜下观察到的铝膜表面放大图像表明，电阻式真空镀膜法蒸镀的铝膜满足了驻极实验和TSD实验对电极的要求。4)为了得到准确有效的TSD实验结果，聚合物驻极体在制备完成后需要对其表面电位进行跟踪直至稳定，根据聚合物驻极体的表面电位衰减状况得出：电晕充电法会在驻极体材料表面沉积许多不稳定的表面电荷，而热极化则不会；高温充电能够增加深陷阱电荷的捕获率，提高驻极体的表面电荷密度；电晕充电的FEP和PTFE驻极体的电荷存储稳定性优于PP驻极体。5)论文利用TSC-DH型热刺激放电测试仪对表面电位稳定的聚合物驻极体做了TSD实验，分析材料的TSD电流温度谱得出：电晕充电的PTFE和FEP驻极体其深阱电荷捕获率高于PP驻极体；与热极化和正电晕充电法相比，负电晕充电的FEP驻极体具有最好的电荷存储稳定性。总之，热刺激放电测试仪是研究驻极体材料的有力工具，聚合物驻极体具有优良的电荷存储特性和压电性，其平滑的表面和较低的介电损耗也非常适合SAW的传播，是一种很有前景的声表面波压电材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 . 绪论
• 1.1. 热刺激放电技术概述
• 1.1.1. 热刺激放电技术的产生和发展
• 1.1.2. 热刺激放电技术的应用
• 1.2. 声表面波用压电材料的研究概况
• 1.2.1. 声表面波技术简介
• 1.2.2. 声表面波技术的发展和应用
• 1.2.3. 声表面波用压电材料及发展
• 1.3. 聚合物驻极体及其在声表面波器件中的应用
• 1.3.1. 驻极体的发展和应用
• 1.3.2. 聚合物薄膜驻极体介绍
• 1.3.3. 声表面波用压电材料的特点
• 1.3.4. 聚合物薄膜驻极体用于声表面波器件的可行性
• 1.4. 本论文研究的意义和内容
• 1.4.1. 研究意义
• 1.4.2. 论文研究的主要内容
• 第2章 . 热刺激放电测试仪的开发
• 2.1. 热刺激放电测试仪的结构和原理
• 2.1.1. 热刺激放电测试仪的设计原理
• 2.1.2. 热刺激放电测试仪的具体设计细节
• 2.2. 人工智能控制算法在热刺激放电测试仪中的应用
• 2.2.1. 温控在热刺激放电实验中的意义
• 2.2.2. 人工智能 PID 算法的控制原理
• 2.2.3. 人工智能温控系统在 DH-TSC 测试仪中的应用
• 2.3. 热刺激放电测试仪的计算机数据采集系统的设计
• 2.3.1. 通信链路的设计
• 2.3.2. 数据采集系统软件界面的设计
• 2.3.3. 程序实现
• 2.4. 本章小结
• 第3章 .聚合物薄膜驻极体的制备及其性能
• 3.1. 聚合物薄膜样品介绍
• 3.2. 聚合物薄膜驻极体的制备
• 3.2.1. 铝电极的蒸镀
• 3.2.2. 聚合物薄膜的极化
• 3.3. 聚合物驻极体样品的表面电位跟踪实验
• 3.3.1. 表面电位计法测量原理
• 3.3.2. 表面电位跟踪测量实验
• 3.3.3. 常温电晕充电的聚合物驻极体样品表面电位跟踪结果与分析
• 3.3.4. 高温电晕充电的聚合物驻极体样品表面电位跟踪结果与分析
• 3.3.5. 热极化和电晕充电的 FEP 驻极体样品表面电位跟踪结果与分析
• 3.4. 本章小结
• 第4章 .聚合物驻极体声表面波材料的 TSD 实验研究与分析
• 4.1. 热刺激放电技术在聚合物驻极体声表面波材料研究中的应用
• 4.1.1. 聚合物驻极体材料的压电性
• 4.1.2. 聚合物驻极体材料的热刺激电流
• 4.2. 聚合物驻极体样品的 TSD 实验
• 4.2.1. TSD 实验方法
• 4.2.2. TSD 实验步骤
• 4.3. 实验结果与分析
• 4.3.1. 负电晕充电驻极体样品的 TSD 实验结果
• 4.3.2. 不同极化条件下的 FEP 驻极体 TSD 实验结果
• 4.4. 本章小结
• 第5章 .结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要