駐極體[試題學(xué)習(xí)]

1、駐極體簡(jiǎn)介1. 駐極體的產(chǎn)生及分類(lèi)1.1 分類(lèi)駐極體根據(jù)所帶的電荷性質(zhì)不同可分為靜電型駐極體和極性駐極體。1) 靜電型駐極體靜電型駐極體中的電荷主要是被介質(zhì)表面或內(nèi)部的各種陷阱捕獲的帶電粒子(如電子、離子等),稱(chēng)為駐極體的捕獲電荷,捕獲電荷有三個(gè)來(lái)源:一是電荷從介質(zhì)外面經(jīng)施加的電場(chǎng)推斥,沉積到介質(zhì)表面或注入到介質(zhì)表層一定深度,被那里的陷阱捕獲;二是介質(zhì)內(nèi)部的雜質(zhì)離子在極化電場(chǎng)的作用下,作宏觀位移,移至異號(hào)電極近旁的介質(zhì)層內(nèi),被那里的陷阱捕獲;三是有些電介質(zhì)特別是高聚物其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不均勻的,有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的不同結(jié)構(gòu)交錯(cuò)在一起。結(jié)晶區(qū)通常是一些微小的晶粒,當(dāng)極化電流通過(guò)介質(zhì)時(shí),在晶粒的兩個(gè)端面

2、將積累著相反的電荷,如圖1-1所示。圖1-1 電荷在晶粒界面的積聚2) 極性駐極體極性駐極體中的電荷是通過(guò)凍結(jié)取向偶極子而形成的。在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí),固體電介質(zhì)中的分子偶極子的指向是各向均等的,就整個(gè)電介質(zhì)而言呈中性,當(dāng)介質(zhì)處于電場(chǎng)中時(shí),每個(gè)分子偶極子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向,介質(zhì)表面就呈現(xiàn)出帶電特性,這種電荷是被束縛在所屬的分子之內(nèi),不能脫離分子轉(zhuǎn)移到其他部位,故被稱(chēng)為束縛電荷,通過(guò)一定的手段(如升溫極化后降溫)將這種有序取向凍結(jié),再撤去外加電場(chǎng)就形成了駐極體,如圖1-2。圖1-2 極性駐極體中的偶極子取向1.2 極化方法駐極體的極化方法有很多種，大部分的極化方法是基于以下過(guò)程：把電介質(zhì)材料放入電場(chǎng)中，

3、并對(duì)其施加一額外的物理作用以加速帶電粒子的遷移或縮短偶極弛豫時(shí)間。其中的物理作用的形式可以是加熱、輻照、施加磁場(chǎng)等。即使在沒(méi)有外電場(chǎng)作用是駐極態(tài)也會(huì)出現(xiàn)在電介質(zhì)中。例如，電介質(zhì)的機(jī)械形變可以產(chǎn)生機(jī)械駐極體；電暈放電時(shí)的電介質(zhì)充電過(guò)程可以產(chǎn)生電暈駐極體；摩擦誘發(fā)的電氣化過(guò)程可以產(chǎn)生摩擦駐極體等。現(xiàn)將常用的駐極體極化方法簡(jiǎn)要介紹如下。1) 電暈極化電暈極化法是一種應(yīng)用最為廣泛的極化方法，該方法通常是在常壓大氣中進(jìn)行的。該方法是在針狀電極或片狀上電極與電介質(zhì)一面之間產(chǎn)生一個(gè)分均勻性的電場(chǎng)。上電極與樣品表面之間要保持一定的距離，背電極與樣品的另一面相接觸。如果外部施加的電壓超過(guò)空氣擊穿的閾值時(shí)，便會(huì)有

4、電流i產(chǎn)生。極化時(shí)，也可以對(duì)樣品同時(shí)進(jìn)行加熱，這樣可以提高對(duì)電荷的捕獲能力。圖1-3是一種典型的電暈極化裝置示意圖。以如圖所示裝置進(jìn)行電暈充電時(shí)，樣品的表面電位分布極不均勻，會(huì)沿樣品徑向方向呈鐘形分布。表面電勢(shì)的這種分布規(guī)律可由Deutsch導(dǎo)出的電暈場(chǎng)電流分布方程1.1來(lái)描述：iimax= 1+r2l2-52 （1.1）其中r是樣品上任意一點(diǎn)到電暈針正下方樣品中心點(diǎn)的距離，l是電暈針到樣品之間的距離，i是距離中心距離為r處的電流密度。圖1-3 電暈極化裝置示意圖為了改善充電的均勻性，可以在電暈針和樣品之間附加一個(gè)平行于樣品表面的金屬柵網(wǎng)，并在柵網(wǎng)與下電極之間提供一個(gè)與電暈電壓極性相同的電壓，

5、形成柵控恒壓電暈充電。這樣既可以使樣品捕獲電荷的橫向分布均勻，同時(shí)可以有效地控制樣品的注入電荷密度。2) 熱極化熱極化法是在一定的高溫下對(duì)電介質(zhì)材料施加一外電場(chǎng)，使熱活化的分子偶極子沿電場(chǎng)方向取向或?qū)⒖臻g電荷經(jīng)電極注入電介質(zhì)，并在保持電場(chǎng)不變的情況下冷卻至某一低溫值，以?xún)鼋Y(jié)取向偶極子或促進(jìn)空間電荷的捕獲。對(duì)于聚合物材料，熱極化溫度通常選定在材料的玻璃相變溫度與熔點(diǎn)之間。外電場(chǎng)可以通過(guò)樣品表面的蒸鍍電極或外加電極作用于電介質(zhì)上。熱極化時(shí)，會(huì)同時(shí)存在三種充電現(xiàn)象：第一種是偶極子取向極化或者是由電介質(zhì)內(nèi)介電吸收的電荷分離形成異號(hào)電荷的內(nèi)部極化；第二種是由于氣隙間的火花放電在樣品表面和體內(nèi)沉積的同號(hào)電

6、荷；第三種是通過(guò)接觸電極注入同號(hào)電荷。這些現(xiàn)象中哪一種起主導(dǎo)作用和電介質(zhì)材料以及充電電極的幾何形狀、充電過(guò)程的溫度、充電電場(chǎng)的大小以及電極與材料界面處的物理狀況由密切的關(guān)系。3) 界面夾層極化界面夾層極化是一種研究?jī)煞N電介質(zhì)材料接觸界面上電荷存儲(chǔ)性質(zhì)時(shí)所用到的極化方法。如圖1-4所示，若有兩種電介質(zhì)材料相互密切接觸，其介電常數(shù)分別為e1、e2，電導(dǎo)率為g1、g2，厚度為d1、d2，當(dāng)施加電壓U后應(yīng)有如下關(guān)系：在穩(wěn)態(tài)時(shí)有（1.2）e1E1=e2E2J=g1E1+g2E2在開(kāi)始態(tài)至穩(wěn)態(tài)時(shí)，電場(chǎng)分布隨時(shí)間而變化，其傳導(dǎo)電流密度J=J（t），且有J1J2（1.3）J1=g1E1J2=g2E2由于從開(kāi)始

7、態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)程中，雙層介質(zhì)中傳導(dǎo)電流密度不相等，因此，必然在介質(zhì)的分界面上形成自由電荷的聚集，造成電介質(zhì)中電荷的不均勻分布，這就是一種空間極化（夾層極化）。而J=J（t）就是單位時(shí)間內(nèi)聚集在單位界面上的電荷。圖1-4 界面夾層極化示意圖4) 軟X光極化軟X光充電法是一種比較新的駐極體充電技術(shù)。這種充電方法與輻照充電在原理上有明顯的區(qū)別。該方法的原理如圖1-5（a）所示。軟X光可以穿透氣隙上方的電極，氣隙中的氣體分子在光致電離的作用下會(huì)產(chǎn)生大量的離子。在外加偏置電壓的作用下，部分載流子會(huì)被電介質(zhì)捕獲并向介質(zhì)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，從而形成駐極體。除此之外，還有一種利用軟X光來(lái)極化“垂直”駐極體的方法，該方

8、法的示意圖如圖1-5（b）所示。當(dāng)空氣中的軟X光的輻照強(qiáng)度達(dá)到10keV時(shí)，氣隙中便會(huì)產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷。在外加電場(chǎng)的作用下，電荷會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，并最終轉(zhuǎn)移到駐極體表面。圖1-5 軟X光極化5) 介質(zhì)插入極化1970年，G.M.Sessler等人發(fā)明了一種用可控?fù)舸╇妶?chǎng)來(lái)制備駐極體的方法，如圖1-4所示。其方法是在常溫、常壓的條件下，在兩個(gè)電極之間放置一片聚合物薄膜，薄膜的一面鍍電極，在薄膜的自由面一側(cè)再插入一塊電介質(zhì)。然后對(duì)該三明治結(jié)構(gòu)施加30keV的電壓并持續(xù)一分鐘。利用這種方法可以制得表面電荷特性?xún)?yōu)良的薄膜駐極體。插入電介質(zhì)要具有適當(dāng)?shù)碾娮杪剩诒ＷC薄膜不被破壞性擊穿的同時(shí)，還要使得在

9、薄膜上能夠產(chǎn)生足夠的壓降。通過(guò)施加合適的電壓和插入介質(zhì)可以使得電流密度在10-8-10-6A/cm2之間，這時(shí)的充電效果最為理想。這一電流值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大部分聚合物材料擊穿的典型值。充電過(guò)中，大部分電流會(huì)由聚合物中的局部隧道流過(guò)，而電荷會(huì)沉積在與隧道距離較遠(yuǎn)的地方，也就是說(shuō)擊穿只會(huì)發(fā)生在離散的區(qū)域內(nèi)，而不會(huì)發(fā)生大面積擊穿。圖1-6 介質(zhì)插入電擊穿充電的結(jié)構(gòu)示意圖6) 液體接觸極化液體接觸充電是指在電極與介質(zhì)之間加入少量的液體，并使其與電極和介質(zhì)緊密接觸的充電方法。例如，一塊一面鍍電極的聚合物薄膜，其自由面與一濕潤(rùn)的電極相接觸，以使電極與聚合物膜之間有一層很薄的液體層（如圖1-6所示）。液體可以是

10、水或酒精等。如果在電極之間施加外電壓，在兩個(gè)固液界面處都會(huì)形成電荷層。在靜電力和分子力的相互作用下，電荷會(huì)向聚合物膜轉(zhuǎn)移。通過(guò)平行移動(dòng)電介質(zhì)上方的電極，可以獲得大面積的聚合物駐極體膜。為了使電荷保存在電介質(zhì)上，在停止施加電壓以前，必須移去上電極（或使液體蒸發(fā)）。這種充電方法的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，通過(guò)外加電壓可以控制初始電荷密度和橫向電荷分布的均勻性。圖1-6 液體接觸充電7) 輻射極化以各類(lèi)離子對(duì)電介質(zhì)的完全穿透輻照，形成了電介質(zhì)內(nèi)載流子的位移充電稱(chēng)為穿透輻照充電。在離子穿透輻照過(guò)程中，通過(guò)外加電場(chǎng)，或離子穿透中形成的內(nèi)場(chǎng)使載流子位移。穿透粒子可以是射線，射線，X射線及穿透性的單能電子束。2. 駐

11、極體材料巴西棕櫚蠟是世界上最早的人造駐極體材料。這類(lèi)材料是極性材料,常以熱極化成極，形成的駐極體在室溫下呈現(xiàn)髙的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。但是蠟類(lèi)的恪點(diǎn)低,所以使用溫度一般不高于50，類(lèi)似于極性聚合物如聚甲基丙稀酸甲酷PMMA，聚氯乙稀PVC和聚偏氟乙稀PVDF等。它們形成的元器件通常體積較大、電荷儲(chǔ)存壽命短、機(jī)械強(qiáng)度差和工作溫度低等，因此,二十世紀(jì)60年代以后，被高分子聚合物薄膜所取代。目前在駐極體材料體系中包含了有機(jī)高分子聚合物駐極材料、無(wú)機(jī)駐極材料以及生物駐極體材料。1) 高分子聚合物駐極材料用作駐極體材料的高分子聚合物主要是指聚烯烴類(lèi)，包括聚乙烯以及含鹵素，烷基和芳香基團(tuán)的其他一些類(lèi)似的聚合物，

12、它們都具有良好的駐極體性能和抗環(huán)境干擾能力。高分子聚合物材料具有良好的電荷儲(chǔ)存性能，容易加工成薄膜，力學(xué)性能良好，并且價(jià)格低廉，在駐極體傳聲器、醫(yī)療衛(wèi)生、空氣過(guò)濾等方面都能看到它們的身影。聚合物薄膜駐極體材料從性質(zhì)和應(yīng)用特性上主要分為兩大類(lèi):一種是絕緣聚合物薄膜材料。如聚三氟氯乙稀PCTFE、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET、四氟乙稀和六氟丙稀共聚物FEP和聚乙稀PE等。它們均具有優(yōu)異的介電性能，如髙的體積電阻和表面電阻率，低介電損耗因數(shù)，高介電擊穿強(qiáng)度，低吸濕性和透氣率，因而其形成的駐極體的電荷儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。廣泛用于傳感器、換能器、空氣過(guò)濾器和儀表(如轄射劑量?jī)x)、高壓電纜、微型或小功率的駐極體發(fā)電

13、機(jī)和馬達(dá)等。另一種是具有強(qiáng)壓電性的聚合物薄膜材料。PVDF具有最高的介電常數(shù)(e=12)，良好的熱穩(wěn)定性、低介電損耗和髙擊穿強(qiáng)度等，它和它的共聚物P(VDF/TrFE)在壓電、熱電和鐵電等方面常常作為重要的傳感器和換能器材料。2) 無(wú)機(jī)駐極體材料無(wú)機(jī)駐極體材料通常是硅化合物，例如Si基SiO2和Si基Si基Si3N4/Si2O3為典型的無(wú)機(jī)駐極體材料。與聚合物薄膜駐極體相比，Si02駐極體構(gòu)成的換能器或傳感器具有壽命長(zhǎng)、頻率響應(yīng)寬、抗惡劣環(huán)境好和微型化等優(yōu)點(diǎn)。由于這種駐極體材料的制備和加工工藝與使用半導(dǎo)體技術(shù)的微機(jī)械加工工藝具有良好的兼容性，所以在實(shí)現(xiàn)各類(lèi)基于駐極體的傳感器的微型化、可集成化并

14、最終實(shí)現(xiàn)機(jī)敏化方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，因此無(wú)機(jī)駐極材料多應(yīng)用于微型傳感器。3) 生物駐極體材料生物駐極體有兩種，自然界存在的天然生物駐極體和人工合成的生物駐極材料，例如血液、骨骼、皮膚、鱗片和人工合成的蛋白質(zhì)分子等，駐極體效應(yīng)是生物體生命活動(dòng)中的基本特性，研究表明，生物體體內(nèi)駐極極態(tài)的轉(zhuǎn)變會(huì)誘發(fā)組織的病變，目前生物駐極體在治療疾病，醫(yī)療器械的制造和人工代替器官研究方面已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用。3. 駐極體電荷3.1 空間電荷由駐極體的形成過(guò)程可知，駐極體中所存儲(chǔ)的電荷可以分為兩類(lèi)，空間電荷（真實(shí)電荷）和偶極電荷。駐極體內(nèi)至少有這兩種電荷中的一種存在，它們?cè)隈v極體的分布如圖3-1所示。圖3-1 駐極體中

15、電荷分布3.2 駐極體性能分析方法駐極體的主要性能為表面電荷密度和電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性，對(duì)駐極體性能分析方法有很多，最常用的有等效表面電勢(shì)、電荷分布測(cè)量、電荷密度、熱刺激電流法、熱致發(fā)光、光致脫阱等，通過(guò)這些方法來(lái)測(cè)量和分析駐極體材料的電荷密度、表面電荷分布的均勻性、電荷注入深度、電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等。相比之下，駐極體的電荷分布是一個(gè)更加困難的問(wèn)題?，F(xiàn)在測(cè)量電荷分布的方法有早期的切片法、法拉第杯法，早期的方法多對(duì)樣品有破壞性，測(cè)量結(jié)果偏差大，后來(lái)發(fā)展而出壓力波法（PWP）、電聲脈沖法（PEA）和熱脈沖法（TP）等方法，這些方法的測(cè)量原理是相似的。3.2.1 表面電荷衰減表面電荷衰減是分析駐極體

16、電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性的最為簡(jiǎn)便和直觀的方法，它是在駐極體極化完成后，每隔一段時(shí)間測(cè)量一次駐極體的表面電位，繪制表面電位衰減曲線來(lái)分析駐極體的表面電位衰減情況，一般駐極體要在等溫條件下保存。駐極體表面電位測(cè)量方法有靜電感應(yīng)法、電容探針?lè)ā?dòng)態(tài)電容法和補(bǔ)償法。靜電感應(yīng)法和電容探針?lè)ㄟm用于測(cè)量駐極體的靜態(tài)電荷，不適合測(cè)量駐極體的瞬時(shí)電荷分布；動(dòng)態(tài)電容法雖然很有效但是設(shè)備復(fù)雜；用補(bǔ)償法測(cè)量駐極體的表面電荷的衰減情況是許多研究駐極體電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性的科技人員普遍使用的方法，常用于測(cè)量駐極體材料的電荷存儲(chǔ)壽命。補(bǔ)償法的測(cè)試原理為，在待測(cè)駐極體樣品與測(cè)量電極之間施加一個(gè)振幅可調(diào)制的反向交流電壓，用它來(lái)補(bǔ)償待測(cè)駐極體

17、樣品與測(cè)量電極之間的氣隙電場(chǎng)，不斷調(diào)節(jié)反向電壓幅值，直到氣隙電場(chǎng)為零，此時(shí)的補(bǔ)償電壓值就是待測(cè)駐極體樣品的表面電位，進(jìn)而可以計(jì)算出駐極體的等效表面電荷密度。使用這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需測(cè)量駐極體樣品與測(cè)量電極之間的氣隙厚度就可以測(cè)量樣品的表面電位，目前使用補(bǔ)償法測(cè)量駐極體表面電位的裝置已經(jīng)商品化。駐極體表面電荷測(cè)量很容易實(shí)現(xiàn)，但是由于測(cè)量及儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)有很多因素的影響，由于表面電位衰減法只能對(duì)駐極體做一個(gè)初級(jí)定性的判斷好壞，且針對(duì)的是表面體現(xiàn)的電荷。雖然結(jié)果直觀但是準(zhǔn)確率可靠性不是很強(qiáng)，需要借助于其他精準(zhǔn)的方法來(lái)測(cè)量。表面電位衰減法容易受環(huán)境及其他因素的影響還不足以能夠表現(xiàn)出充電樣品內(nèi)部的電荷

18、儲(chǔ)存情況，而且一般需要的時(shí)間較長(zhǎng)才能得到結(jié)果，所以我們采用加熱樣品使其內(nèi)部電荷快熟釋放的方法來(lái)掌握材料樣品的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。3.2.2 熱刺激放電分析熱刺激放電分析技術(shù)是最常用的研究駐極體的電荷存儲(chǔ)機(jī)制和電荷衰減的方法，它的設(shè)備簡(jiǎn)單且需要的時(shí)間短，跟蹤樣品表面的衰減需要數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間，而是用TSD技術(shù)僅需要數(shù)個(gè)小時(shí)就可以完成。TSD技術(shù)是研究駐極體微觀性質(zhì)的常用方法，TSD測(cè)量裝置的示意圖如圖3-2所示，樣品被放在上下兩個(gè)電極之間，電極和樣品置于一個(gè)溫度可精確控制的恒溫腔中。在測(cè)量時(shí)對(duì)駐極體材料進(jìn)行線性升溫（一般為3/min），在升溫過(guò)程中，被捕獲在材料體內(nèi)陷阱中的空間電荷受到熱激發(fā)會(huì)脫阱

19、逃逸，被極化的偶極電荷由于熱激發(fā)而發(fā)生電荷弛豫，由于陷阱能級(jí)和捕獲深度的深度的影響，不同的束縛電荷所需要的活化能是不同的，測(cè)量溫度與釋放電荷之間的關(guān)系，繪制電流-溫度譜，分析圖譜可以得出捕獲電荷的陷阱分布情況和電偶極子的束縛能級(jí)，還可以計(jì)算出駐極體的電荷密度、脫阱電荷的逃逸頻率、平均電荷重心等信息，而且電流-溫度譜最為直觀的反映了駐極體的熱穩(wěn)定性。圖3-2 熱刺激放電儀示意圖TSD分為開(kāi)路TSD和短路TSD，如圖3-3所示，開(kāi)路TSD多用于單面鍍電極的駐極體，在樣品的表面與上電極之間有一個(gè)縫隙，在上電極的下表面會(huì)產(chǎn)生一層感應(yīng)電荷，當(dāng)高溫引起的熱激發(fā)使空間滴啊和發(fā)生脫阱和偶極電荷產(chǎn)生弛豫時(shí)，會(huì)引

20、起駐極體表面電荷的電荷，此時(shí)上電極感應(yīng)電荷也會(huì)隨之發(fā)生變化，電荷的變回會(huì)在外電路產(chǎn)生開(kāi)路TSD電流；短路TSD測(cè)量的對(duì)象是雙面鍍電極的駐極體，被釋放的束縛電荷直接流入外電路，產(chǎn)生TSD電流。將溫度和電流值使用軟件實(shí)時(shí)同步采集則可以繪出電流-溫度譜。圖3-3 開(kāi)路和短路TSD實(shí)驗(yàn)示意圖歐陽(yáng)毅等人通過(guò)分析熱刺激電流形成的過(guò)程和機(jī)理，分別提出了開(kāi)路和短路熱刺激電流的表達(dá)式。如果忽略偶極電荷的存在，只考慮空間電荷，開(kāi)路和短路時(shí)熱刺激電流表達(dá)式可寫(xiě)成：I0=Aexp-HKT-10T0Texp-HKTdT (3.1)式中，n0為陷阱中的初始載流子密度，H為載流子的束縛能，為升溫速率，k為Boltzmann

21、常數(shù)，0是與束縛載流子壽命有關(guān)的常數(shù)(稱(chēng)馳豫時(shí)間)，l為樣品厚度，開(kāi)路測(cè)量時(shí)，A=en00 ,短路測(cè)量時(shí)，A=el242(dn0dx)x0。將(3.1)對(duì)溫度T微分，可得：dIdT= Aexp-HKT-10T0Texp-HKTdTHKT2-10exp-HKT (3.2)在熱刺激電流譜的峰值處，該微分值為零。因此，令上式為零，就可計(jì)算出電流峰值Im對(duì)應(yīng)的溫度Tm，由式（3.2）可得：Tm=HK0expHKTm12 (3.3)如果只考慮偶極電荷，且電偶極子的弛豫極化強(qiáng)度為pt=p0e-t，對(duì)電偶極子的弛豫極化強(qiáng)度進(jìn)行微分可得到偶極電荷的TSD電流：IDT=p0T010e-HKTexp-10T0Te

22、-HKTdT (3.4)其中，p0(T0)是偶極子開(kāi)始去極化時(shí)的極化強(qiáng)度，為一個(gè)常量。令dID(T)dT=0可解得熱刺激電流譜中電流峰值所對(duì)應(yīng)的溫度Tm為：Tm=HK0expHKTm12 （3.5）比較式（3.3）和（3.5）發(fā)現(xiàn)，兩種電荷的TSD電荷峰值所對(duì)應(yīng)的溫度表達(dá)式是相同的，也就是說(shuō)，在對(duì)駐極體進(jìn)行TSD實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)論材料體內(nèi)存儲(chǔ)的是空間電荷還是偶極電荷，影響TSD電流峰的因素是一樣的，從Tm的表達(dá)式中可以看出，TSD峰溫受升溫速率b和陷阱對(duì)載流子的束縛能H影響。若熱刺激放電儀線性升溫，則b是一個(gè)常量，TSD電流峰僅受載流子束縛能H的影響。在駐極體材料內(nèi)，電荷注入的深度越深，束縛能H越大

23、，相對(duì)應(yīng)的TSD譜中電流峰所對(duì)應(yīng)的溫度也就越高。所以，可以通過(guò)觀察TSD譜的電流峰位置可以很直觀地看出駐極體駐極時(shí)的電荷注入深度，得出駐極體的體電荷在所有沉積電荷中的比重，TSD譜的電流峰也反映了駐極體所儲(chǔ)存電荷重心的位置，峰值溫度越高說(shuō)明電荷重心越深，駐極體的電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性也就越好。此外，TSD譜也直觀地反映了駐極體的熱穩(wěn)定性。3.2.3 增強(qiáng)電荷穩(wěn)定性的方法-熱處理駐極體的熱處理對(duì)駐極體材料的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性將產(chǎn)生重要的影響。這是由于熱處理會(huì)導(dǎo)致駐極體材料物性的變遷和電荷重心的內(nèi)遷移，即對(duì)大多數(shù)聚合物駐極體材料能明顯地提高其深阱捕獲電荷對(duì)淺阱捕獲電荷的比例。在大多數(shù)駐極體元器件生產(chǎn)中的駐極體

24、形成工藝仍普遍使用電暈充電技術(shù)（注入的電荷層位于材料的表面或近表面），利用熱處理工藝來(lái)改善駐極體的電荷壽命、提高駐極體器件的穩(wěn)定性是必不可少的工藝措施。研究表明：改變充電溫度會(huì)影響電荷的儲(chǔ)存能力。對(duì)特定駐極體材料，存在著一個(gè)“最佳充電溫度”T0（如圖3-4 中充電溫度為200時(shí)的曲線）。在這一溫度時(shí)充電，不但可獲得較高的深/淺阱捕獲電荷的比例（對(duì)應(yīng)的TSD電流譜與常溫充電時(shí)的TSD譜比較，其高溫峰向高溫區(qū)漂移較大），而且在深阱中捕獲了較高的電荷密度。倘若充電 溫度TcT0，則更多的深阱捕獲電荷被外界提供的較高熱能激發(fā)脫阱，引起深阱內(nèi)儲(chǔ)存電荷密度的下降（圖3-4中的230曲線），影響充電效率。圖

25、3-4 在不同溫度下充電的teflonPFA的開(kāi)路TSD電流譜3.2.4 PEA法和PWP法測(cè)電荷分布PEA法的基本原理是，先在充電后的介質(zhì)薄膜上制作電極，然后在電極上加上一個(gè)具有陡峭上升沿的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷和電極界面電荷都受到這一脈沖電場(chǎng)力的作用而發(fā)生一定的抖動(dòng)，這一抖動(dòng)可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波。彈性波脈沖的壓力剖面與空間電荷的分布有關(guān)，彈性波到達(dá)對(duì)側(cè)電極的時(shí)間代表電荷在樣品中的位置。用壓電傳感器接收與測(cè)量這些彈性波脈沖，就可以得到空間電荷的分布信息。用電聲脈沖法的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況調(diào)整電脈沖和采用不同厚度的壓電傳感器等方法得到實(shí)驗(yàn)所需要的分辨率和靈敏度，并且這種空間電

26、荷測(cè)量方法可以用于厚試樣空間電荷的研究。其缺點(diǎn)是測(cè)量的靈敏度和空間分辨率主要取決于電脈沖的形狀和壓電傳感器的性能，靈敏度和分辨率相互制約，脈寬比較大的脈沖和比較厚的壓電薄膜可以提高測(cè)量的靈敏度，而脈寬比較小的脈沖和比較薄的試樣與壓電薄膜則有利于提高測(cè)量的分辨率，目前PEA方法的空間分辨率大約能達(dá)到100m。PEA法的基本原理是，先在充電后的介質(zhì)薄膜上制作電極，然后在電極上加上一個(gè)具有陡峭上升沿的高壓脈沖，介質(zhì)中的空間電荷和電極界面電荷都受到這一脈沖電場(chǎng)力的作用而發(fā)生一定的抖動(dòng)，這一抖動(dòng)可以在介質(zhì)中激發(fā)出彈性波。彈性波脈沖的壓力剖面與空間電荷的分布有關(guān)，彈性波到達(dá)對(duì)側(cè)電極的時(shí)間代表電荷在樣品中的

27、位置。用壓電傳感器接收與測(cè)量這些彈性波脈沖，就可以得到空間電荷的分布信息。用電聲脈沖法的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況調(diào)整電脈沖和采用不同厚度的壓電傳感器等方法得到實(shí)驗(yàn)所需要的分辨率和靈敏度，并且這種空間電荷測(cè)量方法可以用于厚試樣空間電荷的研究。其缺點(diǎn)是測(cè)量的靈敏度和空間分辨率主要取決于電脈沖的形狀和壓電傳感器的性能，靈敏度和分辨率相互制約，脈寬比較大的脈沖和比較厚的壓電薄膜可以提高測(cè)量的靈敏度，而脈寬比較小的脈沖和比較薄的試樣與壓電薄膜則有利于提高測(cè)量的分辨率，目前PWP方法的空間分辨率大約能達(dá)到100m。圖3-5 PEA和PWP方法電荷測(cè)量原理通過(guò)比較圖3-5的兩種測(cè)量方法原理，可以看出這

28、兩種測(cè)試方法的原理非常相似，基本可以認(rèn)為是互逆的過(guò)程，現(xiàn)在PEA和PWP已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料內(nèi)部空間電荷的檢測(cè)。對(duì)于駐極體材料，實(shí)際上并不十分關(guān)心空間電荷的具體位置，特別關(guān)心的是電荷陷阱的深度和密度。而對(duì)于絕緣材料不但關(guān)心電荷陷阱的深度和密度，同時(shí)也要關(guān)心空間電荷的空間分布，因?yàn)榻^緣材料的局部破壞與空間電荷的位置有關(guān)。采用這些方法在測(cè)量過(guò)程中，電場(chǎng)僅在垂直于薄膜試樣表面的方向上變化，因此只能測(cè)量空間電荷的一維分布。M Fukuma等設(shè)計(jì)了一種可以完成對(duì)空間電荷三維分布進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)是在垂直于電脈沖的方向上緊密排列十個(gè)探頭，每個(gè)探頭相當(dāng)于一個(gè)PEA法數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，這樣可以同時(shí)測(cè)得樣品十

29、個(gè)不同位置的電荷分布圖。4. 駐極體的應(yīng)用在駐極體材料的應(yīng)用方面，最成功的范例是利用聚合物駐極體薄膜制作駐極體話(huà)筒，這種話(huà)筒以其無(wú)需施加電壓、性能優(yōu)良、成品本低廉而獲得了廣泛應(yīng)用。駐極體的根本特性是電荷存儲(chǔ)，由此可以派生出眾多應(yīng)用，例如，超聲換能器、振動(dòng)傳感器、加速度傳感器、熱釋電傳感器、微執(zhí)行器、駐極體馬達(dá)、靜電印刷、空氣凈化、海水淡化、太陽(yáng)能電池等等。近幾年，隨著在生物駐極體材料的迅速發(fā)展，駐極體在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大。以下主要針對(duì)駐極體在過(guò)濾材料上的應(yīng)用。4.1 駐極體濾料簡(jiǎn)介通常氣溶膠顆粒物在產(chǎn)生的時(shí)便可荷電,干燥的固體顆粒物在擴(kuò)散時(shí),會(huì)由于與不同材料接觸而產(chǎn)生電荷。但是,

30、通常自然荷電強(qiáng)度很弱,而且使用中由于顆粒物的導(dǎo)電性、荷電顆粒物的沉降及氣流的濕潤(rùn)等原因都會(huì)使荷電強(qiáng)度逐漸減弱。荷電纖維過(guò)濾材料是借助顆粒物和過(guò)濾纖維之間的靜電效應(yīng)來(lái)提高捕塵效率的一種過(guò)濾材料,由于在普通濾塵機(jī)理的基礎(chǔ)上附加了靜電效應(yīng),故而效率有所提高而阻力卻不增加。纖維荷電后,中性粉塵在靠近纖維時(shí)會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生符號(hào)相反的鏡像電荷,從而在兩者之間產(chǎn)生吸引力,使效率提高。4.2 駐極體濾料材料用作駐極體空氣過(guò)濾器的材料主要是以高聚物為主的有機(jī)駐極體材料,如非極性材料:聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟丙烯一聚四氟乙烯共聚物等;極性或弱性材料:聚三氟氯乙烯、聚丙烯PP(共混)及聚酷等。這些材料都具有優(yōu)異的介電性能

31、,如高體電阻和表面電阻、高介電擊穿強(qiáng)度、低吸濕性和透氣率,因此具有長(zhǎng)期的電荷儲(chǔ)存壽命。4.3 駐極體過(guò)濾器充電方式使駐極體帶電常用的電荷施加方法有電暈放電、靜電紡絲和摩擦起電三種。摩擦充電僅僅適合于具有不同電負(fù)性的纖維充電，兩種電負(fù)性不同的纖維混合在一起，就采用摩擦起電充電，其過(guò)濾材料的過(guò)濾效率比電暈放電要處理的好,但是電暈放電適用范圍較廣，而且面密度大的織物充電效果要優(yōu)于面密度小的織物。而靜電紡絲優(yōu)點(diǎn)在于它的電荷儲(chǔ)存能力比其他兩者都強(qiáng)。1) 電暈放電，其常用的三種放電形式：黑暗放電、發(fā)光放電和電弧放電。其中以黑暗放電方式進(jìn)行的電暈放電可被用于介電材料的靜電充電得到駐極體。通常在一個(gè)大氣壓下，

32、發(fā)光放電不會(huì)在空氣中發(fā)生，而如果對(duì)空氣施加較高的電場(chǎng)（約30kV/cm），就能產(chǎn)生電暈放電，但過(guò)高的電壓又會(huì)導(dǎo)致電弧放電的產(chǎn)生，因此常采用高電流低電壓的方式得到電暈放電。2) 靜電紡絲，其設(shè)備主要由一根移液管（將蓄液器中的聚合物溶液移至紡絲板上），一個(gè)落地接受器和一個(gè)高壓動(dòng)力發(fā)送裝置組成，在紡絲過(guò)程中施加靜電。靜電紡絲工藝適合于多種聚合物纖維的生產(chǎn)，可生產(chǎn)出微米級(jí)的纖維，其直徑可達(dá)熔噴纖維直徑的十分之一甚至百分之一，這類(lèi)纖維具有良好的電荷儲(chǔ)存性能，可用于各類(lèi)空氣過(guò)濾器。這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，就是電荷儲(chǔ)存的能力主要取決于聚合物的電性能、纖維直徑和介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而非施加電荷的技術(shù)。靜電紡絲可生產(chǎn)極細(xì)的纖維

33、，但生產(chǎn)速度較慢。3) 摩擦起電法，由摩擦起電產(chǎn)生的帶電介質(zhì)有較高的電荷密度和過(guò)濾效率，并且不同纖維制成的氈更容易摩擦起電。但該技術(shù)只適用于梳理工序，并且需要兩種不同負(fù)電性的纖維，通常是聚丙烯和改性聚丙烯腈。摩擦起電產(chǎn)生的靜電荷也會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，影響梳理和鋪網(wǎng)工藝，而且改性聚丙烯腈價(jià)格昂貴。4.4 駐極體過(guò)濾器的顆粒捕集機(jī)理駐極體過(guò)濾器由永久荷電并且能高效收集荷電或未荷電的微細(xì)顆粒的駐極體組成。駐極體過(guò)濾器一般由直徑為2-5m的聚合體駐極體制成，這種駐極體在生產(chǎn)過(guò)程中能被永久荷電。駐極體過(guò)濾器具有四種不同的顆粒捕集機(jī)理：1) 攔截：攔截是唯一的真正的捕捉機(jī)理，攔截可被定義為：當(dāng)球形顆粒的重心與駐

34、極體表面的距離等于或小于顆粒半徑時(shí)，可以認(rèn)為顆粒是被駐極體攔截而捕集。攔截捕捉機(jī)理如圖4-1所示：圖4-1 攔截效應(yīng)2) 慣性：當(dāng)顆粒經(jīng)過(guò)駐極體時(shí)，它可能會(huì)偏離原來(lái)的流線。這樣的偏離是由顆粒的慣性力和布朗擴(kuò)散力共同造成的。慣性碰撞定義為：顆粒由于自己的慣性，它不能足夠快的調(diào)整駐極體附近迅速改變的流線并繞過(guò)駐極體，因而脫離流線撞擊到駐極體表面上，被駐極體捕捉。慣性捕捉機(jī)理如圖4-2所示：圖4-2 慣性效應(yīng)3) 擴(kuò)散：當(dāng)顆粒粒徑很小時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡主要由布朗擴(kuò)散所控制。在布朗擴(kuò)散過(guò)程中，顆粒不遵循自己原來(lái)的流線，而是毫無(wú)規(guī)則的移動(dòng)，從而碰到駐極體而被捕捉。慣性捕捉機(jī)理如圖4-3所示：圖4-3 擴(kuò)散效應(yīng)4) 靜電：靜電主要有兩方面影響，一是靜電作用使顆粒改變流線軌跡而被捕捉；二是靜電作用使顆粒更牢固地粘在濾料駐極體表面上。靜電作用在不增加過(guò)濾器阻力的情況下，能有效地提高過(guò)濾器的過(guò)濾效率。靜電捕集機(jī)理如圖4-4所示：圖4-4 靜電效應(yīng)對(duì)于駐極體材料而言，顆粒被捕集可能有以