一种基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制作方法

1.本发明属于微型注塑压电器件技术领域，涉及一种基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要应用于压电发电机及压电传感器领域。


背景技术：

2.近几十年来，由于化石能源的大量消耗，能源短缺问题日益突出，引起了全世界的关注。寻求新能源以应对未来可能出现的能源危机已迫在眉睫。太阳能、声能、风能、水能、潮汐能等清洁、绿色、无限的能源完全来源于自然环境，值得充分利用。但除了上述来源于自然环境的清洁能源之外，研究开发新的能源途径也同样具备应用前景。
3.目前，压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。压电传感器的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，从而传输电信号。在社会生活中，压电传感器的应用越来越多，压电传感器作为感知周围环境能量的器件，对智能生活发挥着越来越重要的作用。在汽车领域，家用电子，无线设备等领域，压电传感器也发挥着重要的作用。
4.现今，压电传感器的研发方向主要集中于提高压力等机械能的感知能力及灵敏传感等课题，亦或是作为人体可穿戴传感器提高其柔性特征。但从本质上来说，压电传感器是一种压力、张力、应力等机械能信号转换成电能信号的微型发电机。
5.而现阶段的无线设备通常是使用内置电池进行供电，受无线设备体型、重量等因素限制，内置电池的容量通常较小，导致无线设备不能长时间持续工作，需依靠外部的电源进行定时充电维持使用。
6.因此，是否能够通过收集人体等具有机械能的运动体在运动时的机械能，利用压电发电的原理为无线设备进行供电，实现无线设备的自供电，成为当今研究的前沿课题。
7.其中，聚偏氟乙烯(pvdf)因其具有很好的压电活性，广泛地应用于压电器件内。但通过查阅文献可知，利用其制备的压电薄膜因压电性能有限，尚不足以满足作为压电发电机进行供电，其目前的应用仅局限于压电传感器领域内。此外，若要将压电发电机取代内置电池的供电，其尺寸大小必定受限，从而大幅影响其压电发电能力。
8.因此，若有望进一步提高此类压电制品的压电性能，将有利于压电发电技术的进一步发展。


技术实现要素：

9.为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品及其制备方法，本发明基于实验证据以及comsol模拟确定了压电制品微针阵列结构的尺寸参数，并且其中的微针高度、密度、上下底面直径通过限定条件进行了标准量化，从而获得了压电性能显著优于现有技术的具有阵列结构压电制品。
10.基于上述聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，本发明还提供利用其封装所得阵列
式压电发电机。
11.为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案实现。
12.一种基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，是通过微型注塑工艺制备得到的一体成型聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，该压电制品主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
13.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为100～200微米，上底面半径为50～100微米，高为500～1000微米，下底面半径与上底面半径之差为50～100微米；所述针头的球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致，其球缺结构的高度不超过其球半径；
14.相邻微针的间距为800～1500微米。
15.注意的是，所述间距的计算方式为相邻微针针体圆台结构下底面中心点之间的距离。
16.通常地，所述阵列式分布在满足上述相邻微针的间距前提下，其阵列排列方式可参考现有技术中的排列方式，例如矩形排列、六边形排列等。注意的是，上述阵列排列方式其本质应为在限定的基片体表面面积内，使得微针具有一定数量及分布密度。
17.相较于现有技术中通过溶液模板浇筑法制备聚偏氟乙烯基压电薄膜，本发明技术方案首次采用了微型注塑工艺制备聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品。相比压电薄膜，虽然本发明所提供的压电制品为硬质压电制品，但微型注塑强剪切场有利于pvdf分子链拉伸取向，形成极性晶体，同时，还有助于形成串晶结构，提高力学强度，从而赋予与压电薄膜类似尺寸的微型注塑压电制品具有显著更高的压电性能。并且，微型注塑相较溶液模板浇筑法具有工艺步骤更为简单，适于工业生产等优点。
18.同时，因微型注塑赋予了聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品更高的机械性能，而根据压电效应的原理及微型注塑工艺的特性，需针对聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品进行重新设计。
19.本发明的发明人通过梯度实验发现，通过微型注塑工艺制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，其中的微针尺寸及分布密度将极大地制约所得压电制品的压电性能。基于微型注塑工艺模具工业设计及最大发挥串晶结构增益的考量，将微针设计为圆台与球缺结合的流线体结构，并通过将微针高度、微针针体圆台结构的下底面半径及相邻微针间距作为变量条件，通过梯度实验最终总结得到本发明的技术方案。
20.进一步地，为了更加便于微型注塑工艺的模具工业设计及提高串晶结构增益，所述微针的针头，其球缺结构的高度为球直径的1/5～1/2。
21.进一步地，为了提高聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的压电性能，按重量份数计其原料主要包括：
22.聚偏氟乙烯(pvdf)
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99～99.5份，
23.碳纳米管(cnts)
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0.5～1份；
24.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份。
25.注意的是，虽然填料的加入能够改善聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的压电性能，但同时从客观事实上来说，填料的加入也会对压电制品的机械性能造成一定的影响，而
基于压电效应的原理，压电材料机械性能的改变势必会影响压电制品阵列结构的最适值。并且在现有理论技术的指导下，本领域技术人员无法通过已发现原理及规律总结去调整该结构最适值的变化。基于此，本发明所限定保护的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，其原料中填料的加入应以几乎不影响其机械性能为准，因此填料优选仅需少量加入的碳系填料碳纳米管。
26.值得说明的是，在上述限定结构的指导下，本领域技术人员可根据实际加工条件选择适宜的微型注塑工艺手段，从而制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品。为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的微型注塑工艺制备方法：
27.上述基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
28.(1)制粒：
29.将聚偏氟乙烯加入双螺杆挤出机于180～210℃、50～200转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf粒料；
30.(2)微型注塑：
31.将步骤(1)所制备的pvdf粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度50～600mm/s，模具温度30～90℃，熔体温度180～210℃，保压及冷却时间5～15s。
32.同样地，在其中一种优选技术方案中，原料中添加了填料的情况下：
33.上述基于微型注塑工艺的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
34.(1)备料：
35.按重量份数计将下述原料进行备料：
36.聚偏氟乙烯(pvdf)
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99～99.5份，
37.碳纳米管(cnts)
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0.5～1份；
38.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
39.(2)制粒：
40.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于180～210℃、50～200转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
41.(3)微型注塑：
42.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度50～600mm/s，模具温度30～90℃，熔体温度180～210℃，保压及冷却时间5～15s。
43.通常地，因微型注塑工艺及该类压电发电机的尺寸限制，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，其中基片体的尺寸限制通常为4～10平方厘米，厚度不大于1毫米；注意的是，微针阵列式排列分布于基片体的最大受力面上，但分布面积具体取决于实际的工业需求及设计。
44.值得说明的是，在上述限定结构的指导下，本领域技术人员可根据现有技术将该
压电制品应用于压电发电机。为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的阵列式压电发电机：
45.一种阵列式压电发电机，主要包括封装膜、下导电层、聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品、上导电层所构成，其中由下至上分别由下导电层、聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品、上导电层依次堆叠并被封装膜包裹；
46.所述下导电层与上导电层分别作为发电电极或是与设置于封装膜外发电电极之间电连接，从而进行压电发电输出。
47.通常地，所述封装膜、下导电层、上导电层，本领域技术人员可根据现有技术自行选择适宜的材质与结构、规格，本发明所取得的有益效果主要来自于聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，因此，本领域技术人员应理解，针对压电发电机的其他结构的替换与改进，仍应属于本发明保护范围。
48.为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的阵列式压电发电机方案，所述封装膜采用聚酰亚胺(pi)材质，所述上导电层与下导电层为铝箔制成，且上导电层与下导电层的尺寸近似于导电片的基片体，以满足对导电片的上下覆盖。
49.本发明具有如下有益效果：
50.1、本发明基于实验证据以及comsol模拟确定了微针阵列结构的尺寸参数，并且其中的微针高度、密度、上下底面直径通过限定条件进行了标准量化，从而获得了压电性能显著优于现有技术的具有阵列结构片式压电制品。
51.2、本发明通过对阵列结构的探索研究发现，较高微针高度、较低微针密度，较小微针尺寸的阵列结构制品具有更佳的压电性能。
52.3、本发明通过微型注塑工艺制备具有阵列结构的片式压电制品，较常规溶液浇筑成型方法制备的pvdf制品，具有各向异性的特点，其内部形成的串晶结构是溶液浇筑成型方法所不能实现的。
53.4.本发明基于微型注塑技术制备阵列式片式压电制品，具有生产工艺简单、易于操作、制造成本低、可批量化连续化生产等优点，整套工艺无需对制件进行后处理或需额外工艺条件，适于进行工业实施转化。本发明制备的阵列式片式压电制品具有压电传感、俘能等领域的应用潜力。
附图说明
54.图1为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的实物照片。
55.图2为本发明实施例3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的电镜照片。其中包括俯视sem图(a)及侧视sem图(b),(a-1)和(b-1)分别为对应的局部放大图。
56.图3为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的微针结构示意图。
57.图4为本发明实施例3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品刻蚀后的电镜照片。明显看出刻蚀后，沿流动方向形成的串晶结构显露出来，并且可以看到碳纳米管分布其中。
58.图5为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的dsc测试
曲线图。其中，172℃为α和β晶的熔融峰，180℃对应γ晶的熔融峰；随碳纳米管含量的增加，γ晶的熔融峰变小，总的结晶度降低，这可能是由于碳纳米管的加入导致熔体强度增加流动性变差的缘故。
59.图6为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的x射线衍射图。在20
°
附近出现了α(110)、β(110)和γ(110)以及β(200)晶面的特征衍射峰。
60.图7为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的红外测试。从图中可以发现，微型注塑样品在840和1276处出现了β的特征吸收峰，在1234出现了γ晶的特征吸收峰。
61.图8为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的各种晶型含量统计。总的来说随碳纳米管的加入极性晶含量逐渐降低。
62.图9为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的小角x射线散射图。很明显，二维小角x射线散射图分别在子午线方向出现了上下对称的水滴状散射图案，在赤道方向出现了左右对称的菱形散射条纹，这种图形正是典型的串晶小角散射图案。
63.图10为本发明阵列式压电发电机的封装结构示意图。
64.图11为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的开路电压-时间图。其中，撞击加速度分别为3m/s2和8m/s2；从中可以看出，碳管的加入可以显著增加开路电压。在8m/s2的加速度撞击下，含1％碳纳米管的阵列结构压电器件可以产生5v的开路电压。
65.图12为本发明实施例1～3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的短路电流-时间图。其中，撞击加速度分别为3m/s2和8m/s2；从中可以看出，碳管的加入可以显著增加短路电流。在8m/s2的加速度撞击下，含1％碳纳米管的阵列结构压电器件可以产生125na的短路电流。
66.图13为本发明实施例4以及对比例4～7所模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的输出电压模拟结果图。其中，(a)和(b)～(e)分别依次对应实施例4以及对比例4～7。
67.图14为本发明实施例4以及对比例4～7所模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的形变模拟结果图。其中，(a)和(b)～(e)分别依次对应实施例4以及对比例4～7。
68.图15为本发明实施例3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品压缩10000次后的电镜照片。包括压缩10000次后的俯视sem图(a)及侧视sem图(b),(a)和(b)中的插图分别为对应的大尺寸图。在经历了10000次压缩后，微针顶部半球形结构变成了平面结构。
69.图16为本发明实施例3制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品压缩10000次后的开路电压和短路电流-时间图。可以发现，该压电制品在经历10000次压缩后性能相比最初几乎不变，任然具有4.5v的开路电压和120na的短路电流。
具体实施方式
70.下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。
71.实施例1
72.本实施例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
73.(1)备料：
74.按重量份数计将下述原料进行备料：
75.聚偏氟乙烯(pvdf)
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100份；
76.(2)制粒：
77.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf粒料；
78.(3)微型注塑：
79.将步骤(2)所制备的pvdf粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
80.本实施例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
81.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
82.所述微针1是由圆台结构的针体1a与球缺结构的针头1b构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
83.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
84.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为57.4％，其中β和γ分别为23.5％和33.9％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为1v和30na。
85.实施例2
86.本实施例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
87.(1)备料：
88.按重量份数计将下述原料进行备料：
89.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
99.5份，
90.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5份；
91.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
92.(2)制粒：
93.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
94.(3)微型注塑：
95.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微
型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
96.本实施例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
97.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
98.所述微针1是由圆台结构的针体1a与球缺结构的针头1b构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
99.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
100.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为45.5％，其中β和γ分别为13.8％和41.7％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为3v和600na。
101.实施例3
102.本实施例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
103.(1)备料：
104.按重量份数计将下述原料进行备料：
105.聚偏氟乙烯(pvdf)
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99份，
106.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1份；
107.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
108.(2)制粒：
109.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
110.(3)微型注塑：
111.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
112.本实施例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
113.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
114.所述微针1是由圆台结构的针体1a与球缺结构的针头1b构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
115.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
116.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为43.6％，其中β和γ分别为12％和31.6％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为5v和120na。
117.实施例4
118.由于模具制作成本高，因此通过comsol模拟软件评估不同阵列结构的片式压电制品的压电性能和应变响应行为。
119.本实施例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
120.本实施例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
121.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
122.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
123.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
124.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.1n压力作用下其开路电压和短路电流分别为16.1v，应力为115.2kpa。
125.实施例5
126.本实施例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
127.本实施例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
128.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
129.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
130.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
131.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.05n压力作用下其开路电压和短路电流分别为8v，应力为50.3kpa。
132.实施例6
133.本实施例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
134.(1)备料：
135.按重量份数计将下述原料进行备料：
136.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
99份，
137.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1份；
138.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
139.(2)制粒：
140.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于180℃、180转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
141.(3)微型注塑：
142.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度100mm/s，模具温度40℃，熔体温度180℃，保压及冷却时间5s。
143.本实施例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
144.其基片体为圆片体结构，直径为10mm、厚度为0.5mm；
145.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为100微米，上底面半径为50微米，高为500微米，下底面半径与上底面半径之差为50微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致50微米，其球缺结构的高度为球直径的1/4；
146.基片体上以8
×
8的形式分布64个针体，相邻微针的间距为800微米。
147.实施例7
148.本实施例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品的制备方法，包括以下步骤：
149.(1)备料：
150.按重量份数计将下述原料进行备料：
151.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
99份，
152.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1份；
153.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
154.(2)制粒：
155.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于200℃、60转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
156.(3)微型注塑：
157.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入阵列式片式压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度500mm/s，模具温度80℃，熔体温度210℃，保压及冷却时间15s。
158.本实施例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
159.其基片体为圆片体结构，直径为8mm、厚度为0.8mm；
160.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下
底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为200微米，上底面半径为100微米，高为1000微米，下底面半径与上底面半径之差为100微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致100微米，其球缺结构的高度为球直径的1/2；
161.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
162.对比例1
163.本对比例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基压电制品的制备方法，包括以下步骤：
164.(1)备料：
165.按重量份数计将下述原料进行备料：
166.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100份；
167.(2)制粒：
168.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf粒料；
169.(3)微型注塑：
170.将步骤(2)所制备的pvdf粒料于微型注塑机中注射进入圆形压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
171.本对比例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，为基片体结构，即实施例1中单独的基片体；
172.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
173.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为57.4％，其中β和γ分别为23.5％和33.9％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为0.3v和20na。
174.对比例2
175.本对比例基于微型注塑工艺制备的聚偏氟乙烯基压电制品的制备方法，包括以下步骤：
176.(1)备料：
177.按重量份数计将下述原料进行备料：
178.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
99.5份，
179.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5份；
180.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
181.(2)制粒：
182.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
183.(3)微型注塑：
184.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入圆形压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
185.本对比例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，为基片体结构，即实施例2中单独的基片体；
186.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
187.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为45.5％，其中β和γ分别为13.8％和41.7％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为0.8v和40na。
188.对比例3
189.本对比例基于微型注塑工艺的聚偏氟乙烯基压电制品的制备方法，包括以下步骤：
190.(1)备料：
191.按重量份数计将下述原料进行备料：
192.聚偏氟乙烯(pvdf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
99份，
193.碳纳米管(cnts)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1份；
194.所述聚偏氟乙烯与碳纳米管合计100份；
195.(2)制粒：
196.将步骤(1)备料好的聚偏氟乙烯和碳纳米管加入双螺杆挤出机于190℃、100转/分钟挤出，并采用牵引机牵引挤出丝条，经冷却切粒即得pvdf/cnts粒料；
197.(3)微型注塑：
198.将步骤(2)所制备的pvdf/cnts粒料于微型注塑机中注射进入圆形压电制品模具的模腔中，通过微型注塑工艺制备得到聚偏氟乙烯基压电制品；其中，微型注塑工艺的工艺条件为：注射速度200mm/s，模具温度60℃，熔体温度190℃，保压及冷却时间10s。
199.本对比例制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，为基片体结构，即实施例3中单独的基片体；
200.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
201.经测试，制备所得聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，极性晶含量为43.6％，其中β和γ分别为12％和31.6％；在8m/s2的加速度撞击下其开路电压和短路电流分别为1.3v和50na。
202.对比例4
203.由于模具制作成本高，因此通过comsol模拟软件评估不同阵列结构的片式压电制品的压电性能和应变响应行为。
204.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
205.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
206.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
207.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上
底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
208.基片体上以12
×
12的形式分布144个针体，相邻微针的间距为500微米。
209.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.1n压力作用下其开路电压和短路电流分别为4.5v，应力为20.8kpa。
210.对比例5
211.由于模具制作成本高，因此通过comsol模拟软件评估不同阵列结构的片式压电制品的压电性能和应变响应行为。
212.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
213.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
214.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
215.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为160微米，上底面半径为80微米，高为1200微米，下底面半径与上底面半径之差为80微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致80微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
216.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
217.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.1n压力作用下其开路电压和短路电流分别为30.6v，应力为85.7kpa。
218.对比例6
219.由于模具制作成本高，因此通过comsol模拟软件评估不同阵列结构的片式压电制品的压电性能和应变响应行为。
220.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
221.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，主要是由基片体及设置于基片体上的微针构成，所述微针呈现阵列式分布于基片体的表面；
222.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
223.所述微针是由圆台结构的针体与球缺结构的针头构成，所述针体的圆台结构的下底面与基片体固定连接，圆台结构的上底面与所述针头的球缺结构底面固定连接；其中，所述针体的圆台结构，其下底面半径为320微米，上底面半径为160微米，高为600微米，下底面半径与上底面半径之差为160微米；所述针头为球缺结构，其底面半径与针体圆台结构的上底面半径一致160微米，其球缺结构的高度为球直径的1/5；
224.基片体上以6
×
6的形式分布36个针体，相邻微针的间距为1000微米。
225.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.1n压力作用下其开路电压和短路电流分别为4.5v，应力为20.3kpa。
226.对比例7
227.由于模具制作成本高，因此通过comsol模拟软件评估不同阵列结构的片式压电制品的压电性能和应变响应行为。
228.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品设置为纯聚偏氟乙烯(pvdf)材质参数。
229.本对比例中进行模拟的聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，为单独的基片体；
230.其基片体为圆片体结构，直径为12mm、厚度为1mm；
231.经模拟测试，该聚偏氟乙烯基阵列式片式压电制品，在0.1n压力作用下其开路电压和短路电流分别为0.37v，应力为3.7kpa。