Estudo da relação entre a resposta piezoeléctrica macro-e microscópica do poli(fluoreto de vinilideno)

Abstract

Na vasta gama dos polímeros, o poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), é o que reúne as propriedades piezo, piro e ferroeléctricas mais interessantes do ponto de vista científico e tecnológico. Assim sendo, o objectivo deste trabalho consistiu em estudar e caracterizar a resposta piezoeléctrica deste polímero, quer na escala microscópica quer na macroscópica, relacionando posteriormente ambas as respostas de forma a entender os processos físicos envolvidos nas diferentes. Isto permitirá uma melhor compreensão e eventual controlo das propriedades finais deste polímero. Deste modo foram estudados dois tipos de amostras, a primeira possuindo a fase mais estável deste polímero quando obtida por cristalização do fundido (fase α), a segunda foi obtida por estiramento da primeira amostra a uma temperatura de 80ºC, intitulada de fase β. Esta segunda amostra foi estudada antes e após do processo de polarização, i.e., da aplicação de um campo eléctrico, induzindo a orientação dos dipólos na direcção deste campo, obtendo-se assim amostras polarizadas. Para além das medidas dieléctricas realizadas em todas estas amostras, à temperatura ambiente, a resposta piezoeléctrica macroscópica foi obtida por dois métodos diferentes: o primeiro por interferometria óptica, que foi idealizado e desenvolvido utilizando como referência um interferómetro de Michelson, sendo este modificado de forma a obter uma maior resolução do sistema; e o segundo por medidas electromecânicas constituído por um detector capacitivo, um circuito de Sawyer-Tower e um integrador, ambos determinando a contribuição da parte electroactiva de toda a área da amostra. Com recurso à Microscopia de Força Atómica, obteve-se a morfologia e rugosidade das várias fases do PVDF. A resposta piezoeléctrica microscópica foi obtida através do modo de Microscopia de Força Piezoeléctrica, visualizando as diferentes distribuições dos domínios piezoeléctricamente activos em cada uma das fases, assim como o efeito da polarização na amostra em fase beta. Igualmente foi estudada a distribuição de zonas cristalinas e amorfas das amostras polarizadas. Desta forma foi possível estudar e compreender a relação existente entre as diferentes escalas da resposta piezoeléctrica do PVDF, verificando-se que esta resposta surge sempre na fase β enquanto na macroscópica está presente apenas na fase β quando os dipólos se encontram orientados na direcção do campo eléctrico.

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is the polymer with the most interesting piezo-, pyro-, and ferroelectric properties, both from a scientific and a technological standpoint. In this way, the goal of this work was to study and characterize the piezoelectric response of this polymer both at a microscopic and macroscopic level, relating both responses in order to understand the main physical processes present at the different scales and their influence in the final proprieties of the polymer. Two types of samples were studied in this work: samples in the α phase, which is the most stable phase in this polymer when crystallized from the melt, and β phase samples obtained by stretching α-phase samples at 80ºC. The last samples were also studied in the poled form, i.e. after applying an electric field in order to orient the dipoles in the direction of the applied field. Together with dielectric measurements at room temperatures, the macroscopic piezoresponse of the samples was obtained by two different methods. The first one was by optical interferometry, using a modified Michelson interferometer in order to obtain a higher resolution from this system; the second one used electromechanical measurements performed by a capacitive detector, a Sawyer-Tower circuit and an integrator, both determining the contribution of the electroactive part from the area of the samples. With the help of Atomic Force Microscopy (AFM), it was possible to obtain the morphology and roughness of the samples at different scales. The microscopic piezoelectric response was obtained using the Piezoelectric Force Microscopy (PFM) mode, visualizing the electric domain distribution in each PVDF phase and performing an assessment of crystalline and amorphous phase distribution of the poled sample. It was possible to study and understand the relationship between the piezoelectric response of PVDF at the macroscopic and microscopic scales. The microscopic response is present in the β phase samples but it appears only macroscopically after the sample is poled, since the orientation of the dipole moment changes the dipole and therefore domain distribution.