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正极性聚四氟乙烯薄膜驻极体电荷储存寿命的改善 |
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JPG图片格式
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极性 聚四氟乙烯 薄膜 驻极体 电荷 储存 寿命
改善 |
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通用高分子材料 |
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来源网络 |
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张鹏锋，夏钟福，安振连，吴贤勇（同济大学波耳固体物理研究所，上海200092）The improvement of charge storage life for positively corona charged polytetrafluoroethylene film electretsZHANG Peng-feng, XIA Zhong-fu, AN Zhen-lian, WU Xian-yong(Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract：In this paper, charge dynamic and improvement of charge storage stability in positively corona charged polytetrafluoroethylene（PTFE） film electrets have been studied. It is found that from room temperature to 100℃ and over 180℃, slow retrapping controls the transport of detrapped charge; however, from about 100℃ to 180℃, the transportation rule is changed from slow retrapping to fast retrapping and finally returning to slow retrapping. The improved positively and negatively corona charged PTFE film electrets not only have a comparable charge storage density but also similar rule for their charge storage and decay in certain temperature region.Key words：polytetrafluoroethylene；positive charge stability；detrapped charge摘要：研究了栅控恒压正电晕充电后的聚四氟乙烯薄膜驻极体的电荷输运特性，并对其电荷储存稳定性加以改善。结果显示在约100℃以下的较低温区和高于180℃以上的较高温区内慢再捕获效应控制着脱阱电荷的输运；而在100~180℃的温区内由慢再捕获效应过渡为快再捕获效应后再回到慢再捕获效应。经改性后的正、负极性PTFE薄膜驻极体不仅具有相近的电荷储存密度，而且在一定的温度区间内它们的电荷储存和衰减呈现类似的规律。关键词：聚四氟乙烯；正电荷稳定性；脱阱电荷中图分类号：O484.4 文献标识码：A文章编号：1001-9731（2004）增刊1 引言 聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）是当今最重要商业化的非极性有机驻极体材料之一。由于它的突出的空间电荷储存稳定性、罕见的化学惰性，以及突出的生物相容性等优点使得它在驻极体马达、驻极体辐射计量仪、驻极体传感器和驱动器以及宽温区的驻极体空气过滤器等方面得到了广泛的应用[1~3]。然而由于正极性PTFE薄膜驻极体的电荷储存稳定性明显低于负极性样品，从而限制了它在驻极体推挽元器件及相关设备中的应用。常温充电后的热处理能明显地改善正极性的PTFE薄膜驻极体电荷存储稳定性，而初始表面电位的上升将导致电荷密度衰减加剧，甚至出现不同初始表面电位的样品衰减曲线的交越现象。因此和负极性的PTFE相比，通过合理地提高正极性的PTFE薄膜驻极体的初始表面电位，使得经相同温度热处理后的正负极性的样品具有相近的表面电位，可能实现在一定的温区范围内两种极性PTFE薄膜驻极体同时呈现优异的电荷储存能力和相近的电荷储存寿命。因此经上述物理改性可望利用它们研制驻极体推挽元器件，如推挽式驻极体耳机，驻极体马达和驻极体发电机等，为推动这类新型功能元器件产业化的进程提供了实验和理论依据。2 实验样品选用25µm厚的PTFE薄膜（Teflon PTFE®，Dilectrix DF100，美国Du Pont公司）。样品被单面蒸镀厚度约为100nm，直径为48mm的圆形铝电极，并在常温常压下进行栅控恒压电晕充电（HNCs 20000-1ump，德国Heinzinger公司），其中针压±10kV，栅膜间距约为8.5mm，充电时间为5min。热刺激放电（Thermally Stimulated Discharge，TSD）实验是在一个含有温控程序炉的开路TSD系统（T5 402EK，德国Heraeus公司；614 多功能表，美国Keithley公司）内从室温到300℃以4℃/min的速率线性升温完成。充电后样品的表面电位通过补偿法测量（Isoprobe®，Electrostatic Voltmeter，244型，美国Monroe电子公司）。3 结果与讨论3.1 正极性PTFE薄膜驻极体电荷存储稳定性及改善方法 不管是在常温还是高温下，正极性的PTFE薄膜驻极体的电荷稳定性都低于负极性的样品，说明在类似的条件下，其过剩电荷的脱阱数量、脱阱后在自身场推动下向背电极的漂移量及其迁移速率均可能大于负极性的样品[1,2]。由于负极性的PTFE薄膜驻极体的电荷稳定性明显高于正极性的样品，因此如果采用提高常温正充电的栅压Vg（即提高经常温充电后沉积于样品内的等效面电荷密度），同时组合适当高温下的热处理，可能实现老化后正、负极性样品的表面电位Vs接近一致，即如果它们的平均电荷重心相近，则两者储存着相类似的等效面电荷密度，例如正、负极性的样品的Vg分别取+1900V和-1000V，再经150℃老化400min，其剩余表面电位已分别为+643V和-635V（分别为初值的34％和63％）。图1两条曲线衰减的趋向指出，在经过5h的老化后，随着老化时间的延长，正、负极性的PTFE薄膜驻极体的表面电位已不再衰减，即：即使在150℃的高温下，两种极性的PTFE薄膜驻极体都呈现出类似突出的电荷稳定性。3.2 改性后的正极性PTFE薄膜驻极体电荷稳定性 对大多数的非极性驻极体材料，经常温充电后的样品或者在一定的高温下老化，或者在适当的温度下退火，都可能改善驻极体材料的电荷储存稳定性，这是由于热处理会导致驻极体材料物性的变迁和电荷重心的内迁移，而对大多数非极性氟聚合物驻极体材料则能明显地提高其深阱捕获电荷对浅阱捕获电荷的比例[1]。 图2是改性前后的正极性的PTFE薄膜驻极体的TSD电流谱。从图可见，对于正极性的PTFE薄膜驻极体，改性后的样品的TSD电流谱的主峰温向高温区迁移，浅阱电荷量明显减少，同时伴随着深阱捕获的电荷量的增加，从而证实了这种改性方法能有效地提高正极性的PTFE薄膜驻极体的电荷稳定性。因此如果合理地调控充电参数，如提高常温正充电的Vg（即增加注入样品的电荷密度），并组合热处理可以实现既含有较大比例的深阱捕获电荷、又有较高剩余电荷密度的长寿命正极性的PTFE薄膜驻极体。 这种改性方法还使得正、负极性的PTFE薄膜驻极体具有相近的电荷储存稳定性。图2表明，未改性的正极性的样品在100℃附近就开始出现放电电流，而从图3的改性后的正、负极性的PTFE薄膜驻极体的TSD电流和电荷谱中可以看出，通过上述途径改性的正极性的样品在150℃前都保持有较高的电荷稳定性，且和负极性的样品相近。
3.3 正极性PTFE薄膜驻极体的电荷动态特性 图4是经常温正电晕充电的PTFE薄膜驻极体分别在室温、100、150和180℃老化1h后的TSD电流谱图。从图可见，和室温储存（老化）的PTFE薄膜相比，经100℃老化后的电荷量已经减少，即浅阱内电荷损失，但脱阱电荷在输运过程中没有明显地被较深的陷阱再捕获，因此脱阱电荷大部分被直接迁移至背电极，并最终和镜像电荷复合，显然，慢再捕获效应占主导地位；然而从分别经150℃和100℃老化后的TSD谱线对比说明：伴随着浅阱电荷量减少，却引起深阱电荷量增加，说明相当部分电荷脱阱后，在向背电极迁移的过程中，被更深的陷阱再捕获，这时，快再捕获效应占优势；经180℃的更高温度的热激发后，包括浅阱和较深陷阱内的电荷被更多地激发，并在自身场作用下它们中的大多数直接迁移向背电极，显然，慢再捕获效应再次控制着脱阱电荷的输运。这是由于过高的热处理温度激发的脱阱电荷的活化能已足以阻止较深和更深陷阱对脱阱电荷的再捕获。
从图4的曲线进一步可见，随着老化温度的升高，TSD电流谱的主峰温向高温区逐步迁移，说明高温老化能有效地提高正极性的PTFE薄膜驻极体的电荷稳定性。虽然热老化处理减小了样品内的电荷储存密度，然而在快再捕获效应占主导地位的温区内，伴随着电荷量减少的同时却引起了深阱中捕获电荷密度的增加，因此在该温区内老化将能明显提高样品的电荷储存稳定性。因此，对于改性过程中150℃老化温度是完全合理的。鉴于此，如果合理地提高常温充电的栅压（即增加注入样品的电荷密度），并组合上述的热处理可以形成既含有较大比例的深阱捕获电荷、又保持较高剩余电荷密度的长寿命正极性的PTFE薄膜驻极体。4 结论 （1）正极性PTFE薄膜驻极体的脱阱电荷输运的规律是：从室温到100℃和180℃以上，慢再捕获效应控制脱阱电荷的输运；而在100～180℃，其输运模式是从慢再捕获效应逐渐向快再捕获效应过渡后再返回慢再捕获效应；（2）合理地控制注入样品的初始电荷密度并辅以热处理技术能使两种极性的PTFE薄膜驻极体，既沉积了较高的电荷密度，同时呈现长电荷储存寿命，因此适合于研制驻极体推挽元器件的芯片储电层。参考文献：[1] 夏钟福,驻极体.[M]. 北京:科学出版社.2001,112,263,275, 305.[2] 聚四氟乙烯驻极体的电荷贮存与输运.[J]. 应用科学学报,1992,(10):174.[3] 充电栅压对聚四氟乙烯多孔膜驻极体储电能力的影响.[J]. 物理学报, 2003,(52):246.基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 0073016)；中德驻极体合作课题资助项目(Ref. I/77365)作者简介：张鹏锋(1981－)，男，福建霞浦人。(E-mail：Zhangpengfeng@physics.tongji.edu.cn)，Tel：02165982763论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日 |
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2005-03-10 15:02:02 |
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