Исследование структуры и процессов в электроактивных полимерных материалах с поверхностным и объемным микротекстурированием и проектирование устройств на их основе

Проект является междисциплинарным научным исследованием в области лазерной физики, химии полимеров и материаловедения. Целью проекта является развитие взаимосвязанных направлений по разработке новых устройств на основе электроактивных полимерных материалов и проведение фундаментальных исследований структуры электро-активных материалов с использованием современных времяразрешенных методов диагностики состояния вещества. Объединяющим фактором направлений является использование возможностей фотоники и лазерной физики для формирования структурированных электроактивных материалов и получения новых данных о процессах, происходящих в них при воздействии механических и излучательных полей. Первый этап проекта посвящен разработке технологии создания электроактивных полимерных материалов на основе ПВДФ и его сополимеров в виде пленок, высокопористых структур и композитов; методов контактной и плазменной поляризации сополимеров, лазерной микрообработки и разработки устройств на их основе, в частности создания многослойных сегнетоэлектрических преобразователей. По результатам работ первого этапа проекта проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы в области биомедицинских применений полимерных электроактивных материалов на основе ПВДФ и его сополимеров, показывающий актуальность настоящей работы. Разработаны методики лазерной микрообработки поверхности полимера импульсным лазерным излучением наносекундной длительности УФ диапазона и фемтосекундной длительности ИК диапазона. Сконструирован стенд для прецизионного микротекстурирования. Полученные в ходе работ микроструктуры в виде прорезей, сформированные лазерными импульсами наносекундной длительности УФ диапазона, могут использоваться при создании пьезо- и пиро-датчиков. За счет точности и локального воздействия лазерная резка полимеров может стать эффективным способом для создания сложных планарных структур. Разработана технология получения сегнетоэлектрических пленок на основе сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом (ВДФ/ТФЭ), включающая в себя этапы одноосной вытяжки и последующей контактной поляризации пленочного материала. Исследовано влияния условий одноосной вытяжки на электрофизические свойства полимера. Определены режимы одноосной вытяжки (температура, кратность), позволяющие получать материалы с наибольшими значениями пьезокоэффициентов. Отработана технология контактной поляризации сополимера ВДФ/ТФЭ, при которой значения пьезокоэффициентов поляризованной пленки не уступают зарубежным аналогам (25 пКл/Н). Сополимер ВДФ/ТФЭ состава (94/6) является доступной альтернативой не выпускаемым в РФ гомополимеру ПВДФ и сополимеру ВДФ с трифторэтиленом. При этом изложенные на примере ВДФ/ТФЭ закономерности могут применены и к другим сополимерам ВДФ. Разработана технология получения высокопористых структур на основе ПВДФ и его сополимеров из ксерогеля. Проведены исследования влияния условий получения материала на его структурные и сегнетоэлектрические свойства. Высокопористые структуры, полученные из ксерогеля, благодаря развитой поверхности могут найти применения в биомедицине в качестве каркасов для тканевой инженерии. Получены сегнетоактивные композиты на основе пленок гомополимера ПВДФ, допированных наночастицами дисульфида молибдена. Определена оптимальная концентрация наночастиц (1%), при которой улучшаются пьезоэлектрические свойства материала. Дальнейшие исследования позволят создавать композитные материалы с улучшенными характеристиками. Отработана технология поляризации пленок ПВДФ в разрядах различного типа (тлеющем, барьерном, коронном) в неполимеризующихся газах. Выявлено, что плазменная обработка пленок приводит к модифицированию поверхностного слоя полимера и увеличению её поверхностной энергии, что положительно влияет на адгезию наносимых металлических пленок. Разработана лабораторная методика получения пленочных электродов на основе одностенных углеродных нанотрубок для изготовления многослойных пьезопреобразователей. Удельная проводимость электродов составляет 6,1*10-2 С/см при концентрации ОУНТ 2,5% по сухому остатку клеевой композиции. Изготовлены и исследованы образцы трехслойных преобразователей с параллельным и последовательным соединением пленочных элементов.