CN104795488B - 高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，该方法首先通过流延‑热压或干压‑热压制备压陶瓷聚合物复合膜，然后将一层或多层复合膜和一层或多层聚合物丝网膜交错叠层热压成压电陶瓷聚合物复合材料；或采用流延法直接在聚合物丝网膜上流延压电复合膜后通过热压制得压电陶瓷聚合物复合材料。本发明工艺简单，成本低廉，可制备出综合性能优异、大尺寸压电复合薄膜，有望应用于压电触控板，实现产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷聚合物复合材料范畴，提供了一种压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，本方法解决了当陶瓷相体积分数过高时压电陶瓷聚合物复合材料的韧性差的问题。
技术背景
压电陶瓷聚合物复合材料是一种由压电陶瓷相（如PZT）和高分子聚合物（如PVDF）通过复合工艺而构成的新型材料。压电陶瓷材料具有压电性能优良、介电损耗低和机电耦合系数大等优点，但其成硬而脆，不易成型加工，耐冲击性能差。而压电聚合物虽然具有密度低、柔韧性好，可制备成大而均匀的薄膜，但其压电性能差。压电复合材料兼有陶瓷和聚合物两者的优点，并能抑制各自缺点，成本低，适于商业化生产而受到广泛的研究。
在目前的压电复合材料体系中，0-3型压电复合材料中压电颗粒之间被有机聚合物相充满, 陶瓷颗粒连通性较差，且介电常数相差较大，导致其陶瓷相极化困难；同时两相间力学性能的差异导致其两相间力的传导较为困难；最终导致复合材料压电性能较差。
目前文献中报道的提高复合材料压电性能的方式主要是两种(1) 提高陶瓷相的体积分数，当陶瓷相体积分数超过80%时，压电性能有大幅提高，压电应变常数d33可超过90pC/N，但是陶瓷相体积分数过高会导致复合材料韧性较差。 (2) 加入第三相导电/半导化材料，目的是提高陶瓷相的极化性能，但往往提高有限，同时第三相导电材料加入过多会导致其它一些负面影响，如损耗过大。
1-3型压电陶瓷聚合物复合压电材料是通过把压电陶瓷纤维或者压电柱状样品阵列式地排布在有机聚合物基体中制备而得. 在这类复合材料中, 由于压电陶瓷纤维贯穿有机聚合物基体, 材料可以得到充分极化, 因此其压电和介电性能远远优于 0-3 型复合材料. 然而, 压电陶瓷纤维制造成本非常高, 同时制备 1-3 型复合材料需要非常复杂的工艺, 这大大制约了其在实际器件中的应用。
所以将0-3型复合材料通过工艺手段制备成准1-3型复合材料是改善0-3型压电复合压电性能并提高其韧性一个有效的途径。
发明内容
本发明的目的是为了解决陶瓷相体高体积分数下压电陶瓷聚合物复合压电材料韧性差的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合压电材料，包括一层或多层压电复合膜和一层或多层聚合物丝网膜交错叠层。其中压电复合膜包括压电陶瓷和高分子聚合物，其质量百分比组成为：压电陶瓷50%～98%，高分子聚合物2%～50%。聚合物丝网膜网格将复合材料分隔成准1-3型结构。其制备方法包括以下几个步骤：
（1）压电陶瓷经烧成后再次细磨成粉并过筛制得压电陶瓷粉；
（2）所述步骤（1）中的压电陶瓷粉、高分子聚合物粉二相混合制备成浆料；
（3）所述步骤（1）中的压电陶瓷粉、高分子聚合物粉二相混合制备成混合粉体；
（4）所述步骤（2）中的浆料通过流延法制备成膜片或所述步骤（3）中的混合粉体通过干压制备成膜片；
（5）所述步骤（4）中的膜片热压成型制备成压电复合膜。
（6）一层或多层所述步骤（5）中的压电复合膜和一层或多层聚合物丝网膜交错叠层在平板硫化机上热压成型制备成压电陶瓷聚合物复合材料；
（7）所述步骤（2）中的浆料通过流延法直接在聚合物丝网膜上流延成膜，然后一层或多层膜热压成型制备成压电陶瓷聚合物复合材料；
（8）所述步骤（6）和步骤（7）中的压电陶瓷聚合物复合材料上下面被电极，所述电极浆料为导电胶或者低温银浆，采用丝网印刷或者磁控溅射的方法制备；
（9）步聚（8）中所制得的压电陶瓷聚合物复合材料在硅油/空气中极化，极化条件为：极化电压为3~10kV/mm，极化温度110~240℃，极化时间为20~90 min。
所述步骤（6）和步骤（7）中的聚合物丝网为外购或自制。
所述步骤（5）~（7）中的热压成型，其条件为：温度为高分子聚合物软化点+10~50℃，压力为5~20 Mpa，保压时间为30~120 min。
本发明的有益效果是：
陶瓷相体高体积分数下压电陶瓷聚合物复合压电材料韧性差，引入聚合物丝网膜层将0-3型复合材料制备成准1-3型复合材料，提高了复合材料的韧性。
本发明工艺简单，成本低廉，可制备出综合性能优异的压电陶瓷聚合物复合压电材料，可制备大尺寸压电复合薄膜，有望应用于压电触控板，实现产业化生产。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，所有实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
下面以压电陶瓷 (Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)1-4/xO3 (记作PLZT，x=0.01~0.09，y=0.4~0.6)、PVDF压电陶瓷聚合物复合材料为例，对本发明做详细的说明。
实施例一：
采用传统固相法制备PLZT，按照化学计量配比，经混料、预烧、轧膜成型、冲片、排胶、烧成制备出压电陶瓷片，将陶瓷片在振磨机中振磨，过不同目数的网筛，制备成不同粒度的PLZT陶瓷粉待用。
将PVDF和N,N-二甲基乙酰胺溶剂混合，待PVDF溶解完全后，加入300~350目的PLZT陶瓷粉，电动搅拌后旋转蒸发到所需粘度后倒入自制的流延装置中，刮平烘干制得0.2~0.4mm厚的薄膜，两层薄膜叠中间夹入80目的PVDF丝网膜加在平板硫化机上热压成型制备出复合膜，复合膜冲片制成直径8.9 mm、厚度为0.4~0.6mm圆形压电复合片。压电复合片上下面经抛光处理后丝网印刷导电胶，在硅油中极化，经极化后最终制得压电陶瓷聚合物复合压电材料。
实施例二：
采用传统固相法制备PLZT，按照化学计量配比，经混料、预烧、轧膜成型、冲片、排胶、烧成制备出压电陶瓷片，将陶瓷片在振磨机中振磨，过不同目数的网筛，制备成不同粒度的PLZT陶瓷粉待用。
将PVDF和N,N-二甲基乙酰胺溶剂混合，待PVDF溶解完全后，加入300~350目的PLZT陶瓷粉，电动搅拌后旋转蒸发到所需粘度后倒入自制的流延装置中，装置底部放置一张80目的PVDF丝网，刮平烘干制得0.2~0.4 mm厚的薄膜，薄膜在平板硫化机上热压成型制备出复合膜，复合膜冲片制成直径8.9 mm、厚度为0.2~0.4mm圆形压电复合片。压电复合片上下面经抛光处理后丝网印刷导电胶，在硅油中极化，经极化后最终制得压电陶瓷聚合物复合压电材料。
Claims (8)
1.一种高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料，其特征在于：一层或多层压电复合膜和一层或多层聚合物丝网膜交错叠层，所述压电复合膜为压电陶瓷和高分子聚合物复合而成，所述聚合物丝网膜为高分材料丝网膜，压电陶瓷颗粒均匀分散在高分子聚合物基体中，其质量百分比组成为：压电陶瓷50%～98%，高分子聚合物2%～50%。
2.根据权利要求1中所述的高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料，其特征在于：所述的聚合物丝网膜材质为PVDF（聚偏二氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）。
3.根据权利要求2所述的高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料，其特征在于：所述的压电陶瓷为含铅压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)系或者无铅压电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的高陶瓷含量压电陶瓷聚合物复合材料，其特征在于：丝网目数为40~300目，丝网孔形状为圆形、正方形或其它任一形状。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：
（1）通过流延-热压或干压-热压制备压电复合膜；
（2）一层或多层压电复合膜和一层或多层聚合物丝网膜交错叠层热压成型制备得到压电陶瓷聚合物复合材料；
（3）压电复合片上下表面被电极；
（4）压电复合片在硅油/空气中极化。
6.根据权利要求1~4中任意一项所述的压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：
（1）压电陶瓷粉、高分子聚合物粉二相混合制备成浆料
（2）步骤（1）中所述的浆料后直接在聚合物丝网膜上流延成型制备薄膜，
（3）一层或多层步骤（2）中所述的薄膜叠层后热压成型制备出压电陶瓷聚合物复合材料，
（4）步骤（3）中所述的压电陶瓷聚合物复合材料上下表面被电极；
（5）步骤（4）所制得的压电陶瓷聚合物复合材料压电复合片在硅油/空气中极化。
7.根据权利要求5或6中所述的压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的聚合物丝网膜材质为PVDF。
8.根据权利要求5或6中所述的压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热压条件为：热压温度为高分子聚合物软化点+10~50℃，压力为5~20 Mpa，保压时间为30~120 min。
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