CN102610740B - 螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋形并联连接方式的高性能复合压电材料的制备方法。一种工艺简单、性能优良的陶瓷与高分子聚合物复合压电材料包括：(1)将陶瓷粉料通过轧膜工艺、手工卷曲成型为螺旋状，控制陶瓷相的体积百分比为50％～90％；(2)排塑；(3)在1230℃烧结；(4)将螺旋状陶瓷相与聚合物复合，并固化成型；(5)抛光、涂电极；(6)在硅油介质中，调整极化工艺进行极化。本发明通过调整陶瓷相的取代量，显著提高了压电性能，最佳陶瓷相体积分数确定为75％。当陶瓷相为0.25PZN-0.75PLZT，极化条件为硅油温度90℃，极化电场为2KV/mm，极化10min时，压电性能为
d33＝390pC/N，gh＝0.182V·m/N，dh·gh＝62.34m2/N，tanδ＝2.2％。
Description
技术领域
本发明是关于压电陶瓷与高分子聚合物复合材料，尤其涉及以螺旋并联为连接方式的复合压电材料的制备方法。
背景技术
压电陶瓷具有优良的压电性能、介电性能、多样的机电性能和适用频带宽、电量易测控等优点，已成为智能结构中传感器和制动器设计的首选材料。但是随着应用范围的进一步扩大，常规的块状压电材料已难以满足工程要求。与压电陶瓷相比，压电复合材料则同时具备压电陶瓷和聚合物两者的优点：具有高的机电耦合系数(Kt→1)、低的声阻抗(Z→1.5Mrayls)、较大的介电常数(ε≥100)以及低的介电损耗和机械损耗(tan≤0.05，Qm≥10)等，可以满足水听器、换能器的应用要求。
压电复合材料中复合相的连通方式决定了该复合材料的整体特性。其压电、介电、机械品质因数等性能和复合材料的电场通路，应力分布及串并联模型都是由复合材料的各复合相的连通方式来决定的。
目前压电复合材料有两个主要发展趋势：
其一是开发连接类型压电复合材料。按压电陶瓷相和聚合物相在复合材料中的分布状态，可将压电复合材料分成10种连接类型。为了实际应用和器件的小型化，一些混合连接类型和新连接类型的复合材料被开发出来；
其二是改进制备工艺。制备工艺直接影响压电复合材料的性能，所以探测新工艺是压电复合材料研究的一个重要方面。一种材料其性能优劣，制备工艺是一个关键的因素。这对压电陶瓷/聚合物复合材料而言尤为重要。压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺过程主要包括以下几个环节：陶瓷材料制备、复合材料制备、涂覆电极和极化处理。
压电陶瓷/聚合物复合材料的制备方法一般有以下几种：排列-浇铸法、切割-填充法、脱模法、流延-层叠法、电介质法、激光脉冲、定向生长法、超声波切割法、挤压法等等。
现阶段由于制备技术和功能方面的要求，大多数文献主要集中于0-3型，2-2型和1-3型压电/聚合物复合材料的制备和性能的研究，其他类型的压电复合材料也有相应的研究。对于螺旋形并联复合的压电材料的研究尚未见报道。与此复合材料性能相比拟的，是1-3型压电复合材料。合肥工业大学采用了激光微孔加工法在模具上加工出100～300um的微孔，然后采用挤制成型机将陶瓷浆料注入模具微孔制备了1-3复合材料的陶瓷纤维。甄玉花、李敬锋等人采用切割浇注法制备，制备得到陶瓷柱宽40um、间隙40um、纵横比＞5的超微细化结构的1-3型铌酸钾钠基陶瓷/环氧树脂无铅压电复合材料。由于1-3型压电复合材料中的压电陶瓷成型较困难，限制了它的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有的高性能复合压电材料制备的成本高、工艺复杂的缺点，提供一种简单工艺下制备螺旋形并联压电陶瓷与高分子聚合物复合压电材料的方法。
本发明一种螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法，具有如下步骤：
(1)陶瓷相成型
压电复合材料由陶瓷相和基体相组成，其陶瓷相为压电陶瓷，基体相为高分子聚合物；
将PZT或者PZN-PZT压电陶瓷粉采用传统的氧化物固相合成法制备钙钛矿相粉料，按照合成粉料∶粘结剂的质量比4∶1混合，再利用轧膜法制作成生坯带；然后将生坯带切割成所需要规格的生坯细带，再将其进行卷曲成型为螺旋状；并通过将生坯细带与同尺寸的高温可分解的柔软塑料一起卷曲成型，柔软塑料在排胶过程中自行分解而去除，从而达到固定螺旋形状和控制螺旋间距的效果；
所述陶瓷相占压电复合材料的体积百分比为50％～90％；
(2)排塑
将步骤(1)成型的螺旋状陶瓷胚体以3℃/min的速率升温至100℃，保温30min；再以3℃/min速率从100℃升至200℃；再以1℃/min速率从200℃升至400℃，在400℃保温30min；以5℃/min的速率升至850℃并保温30min，排出有机物；
(3)烧结
将步骤(2)排胶后的坯体采用锆钛酸铅粉料埋烧，以5℃/min速率升温至900℃，然后以3℃/min速率升温至1230℃保温2小时，随炉冷却；
(4)复合
将步骤(3)烧结好的螺旋形压电陶瓷在真空环境下注入环氧树脂，然后在室温下固化完全。陶瓷相与基体相紧密结合成为一个整体。
(5)涂覆电极
将步骤(4)固化好的复合材料表面进行抛光至露出陶瓷相。并采用丝网印刷工艺涂覆导电银胶，然后置于烘箱中，150℃保温2小时，自然冷却至室温；
(6)极化
将步骤(5)的制品置于40420℃的硅油中，施加1～3KV/mm的直流电场，极化5～30min；
(7)测试压电性能
将极化处理的压电陶瓷片，于室温下放置24h后测试其压电性能。
所述步骤(1)的粘结剂为20％的聚乙烯醇PVA。
所述步骤(1)的陶瓷相占压电复合材料的最佳压电性能的体积百分比为75％。
所述步骤(1)的最佳极化条件为极化温度90℃，极化电场2KV/mm，极化时间10min。
本发明的有益效果是，制备出的螺旋并联方式连接的压电陶瓷与高分子聚合物复合压电材料最佳压电性能的陶瓷相体积分数为75％，最佳极化条件为：极化电场2KV/mm，极化温度90℃，极化时间10min；此时压电性能为
d33＝390pC/N，gh＝0.182V·m/N，dh·gh＝62.34m2/N，tanδ＝2.2％。本发明不采用高端设备，压电陶瓷的二维螺旋状成型，最大程度上简化了陶瓷相成型工艺，所以成本低廉，操作简单，更适于工业化生产，具有了优异的压电性能和水声性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
本发明具体实施例确定陶瓷相为0.25PZN-0.75PLZT，烧结温度为1230℃；具体实施例的陶瓷相体积分数和极化条件详见表1；具体实施例的检测结果详见表2。
表1
| 实施例 | 陶瓷相体积分数 | 极化电场 | 极化温度 | 极化时间 |
| 1 | 95％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 2 | 90％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 3 | 85％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 4 | 80％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 5 | 75％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 6 | 70％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 7 | 65％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 8 | 60％ | 1.5KV/mm | 100℃ | 10min |
| 9 | 75％ | 2KV/mm | 80℃ | 10min |
| 10 | 75％ | 1KV/mm | 90℃ | 10min |
| 11 | 75％ | 2KV/mm | 90℃ | 10min |
| 12 | 75％ | 3KV/mm | 90℃ | 10min |
表2
应用本发明制备的复合压电陶瓷材料可应用于制备水听器、换能器、超声成像系统、医学超声、振动和噪音控制等领域的电子器件。
上述对实施例的描述是便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例进行各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的启示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法，具有如下步骤：
(1)陶瓷相成型
压电复合材料由陶瓷相和基体相组成，其陶瓷相为压电陶瓷，基体相为高分子聚合物；
将PZT或者PZN-PZT压电陶瓷粉采用传统的氧化物固相合成法制备钙钛矿相粉料，按照合成粉料:粘结剂的质量比4:1混合，再利用轧膜法制作成生坯带；然后将生坯带切割成所需要规格的生坯细带，再将其进行卷曲成型为螺旋状；并通过将生坯细带与同尺寸的高温可分解的柔软塑料一起卷曲成型，柔软塑料在排胶过程中自行分解而去除，从而达到固定螺旋形状和控制螺旋间距的效果；
所述陶瓷相占压电复合材料的体积百分比为50%～90%；
(2)排塑
将步骤(1)成型的螺旋状陶瓷胚体以3℃/min的速率升温至100℃，保温30min；再以3℃/min速率从100℃升至200℃；再以1℃/min速率从200℃升至400℃，在400℃保温30min；以5℃/min的速率升至850℃并保温30min，排出有机物；
(3)烧结
将步骤(2)排胶后的坯体采用锆钛酸铅粉料埋烧，以5℃/min速率升温至900℃，然后以3℃/min速率升温至1230℃保温2小时，随炉冷却；
(4)复合
将步骤(3)烧结好的螺旋形压电陶瓷在真空环境下注入环氧树脂，然后在室温下固化完全，陶瓷相与基体相紧密结合成为一个整体；
(5)涂覆电极
将步骤(4)固化好的复合材料表面进行抛光至露出陶瓷相，并采用丝网印刷工艺涂覆导电银胶，然后置于烘箱中，150℃保温2小时，自然冷却至室温；
(6)极化
将步骤(5)的制品置于40～120℃的硅油中，施加1～3KV/mm的直流电场，极化5～30min；
(7)测试压电性能
将极化处理的压电陶瓷片，于室温下放置24h后测试其压电性能。
2.根据权利要求1的螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的粘结剂为20%的聚乙烯醇PVA。
3.根据权利要求1的螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的陶瓷相占压电复合材料的最佳压电性能的体积百分比为75%。
4.根据权利要求1的螺旋并联高性能压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的最佳极化条件为极化温度90℃，极化电场2KV/mm，极化时间10min。
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