CN105390608B - 螺旋形无铅压电复合材料的制备方法 - Google Patents

螺旋形无铅压电复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋形无铅压电复合材料制备方法，首先通过轧膜或流延成型将BCZT陶瓷粉轧制成薄膜生坯，再加工成螺旋形生坯，制备出陶瓷相体积分数在10％～90％之间的复合材料，经过1380～1460℃烧结后得到陶瓷环；然后将其进行表面处理，再在真空条件下，向陶瓷环中灌注高分子聚合物，固化后，经抛光、丝网印刷涂覆电极并极化，得到复合压电材料。本发明克服了制备工艺中陶瓷相与高分子聚合物连接不紧密，易断裂的缺点，很大程度上完善了制备工艺，提高了性能。

Description

螺旋形无铅压电复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种螺旋形无铅压电复合材料。
背景技术
压电复合材料是自18世纪发展起来的一种新型材料，如今被广泛的应用于超声成像系统、智能传感器、医学检测、水听器、换能器、脉冲回声换能器、振动和噪音控制等领域。
复合压电材料是一种由压电陶瓷相和高分子聚合物按照一定的连接方式、一定的体积比或者质量比和一定的空间分布复合而成。复合压电材料中各个复合相的连接方式决定了压电复合材料的整体性能，这是因为各复合相的连接方式决定了压电复合材料的压电压电、介电性能、机械品质因数、机电耦合系数，以及材料中的应力分布和串并联模型。
压电材料复合材料追求的是在保证压电陶瓷高性能的基础上，由复合的高分子聚合物缓冲应力，从而克服压电陶瓷的脆性，具备优良的柔顺性和力学性能。同时高聚物的引入，使其密度和声阻抗都有了显著降低，而易与空气、水及生物组织实现匹配，大大扩展了压电材料的应用范围。
压电复合材料按照复合模式可以分为10种类型，即：0-0连接型、0-1连接型、0-2连接型、0-3连接型、1-1连接型、1-2连接型、1-3连接型、2-2连接型、2-3连接型、3-3连接型。第一个数字代表压电陶瓷基体相的空间分布维数，第二个数字代表聚合物基体相的空间分布维数。现阶段由于制备技术和功能方面的要求，研究较多的是0-3型，2-2型和1-3型压电/聚合物复合材料，其中1-3型已经实现了大规模的生产和应用。在这10种连接类型的基础上提出来几种复合连接型，如：1-3-2型，2-2-0型等，并且这几种连接类型的研究已经取得了很大的进步。
压电陶瓷/聚合物复合材料的制备方法主要包括：排列-浇铸法、切割-填充发、脱模法流延叠层法、电介质法、超声波切割法和挤压法等。
目前，哈尔滨工程大学的蓝宇、张凯在1-3型压电复合材料的基础上引入单端激励的原理，提出一种1-1-3型的压电复合材料。1-1-3型压电复合材料是指一维压电陶瓷柱和一维金属柱平行排列于三维高分子聚合物中构成的三相压电复合材料，其中压电柱与金属柱的方向相同。南邦大学的VitalyYu.Topolov等人在1-3和2-2型复合材料的高分子相上分布着均匀的气孔，形成具有多空相的基体，从而获得1-3-0和2-2-0型的新型压电复合材料。现阶段，压电复合材料的研究成果丰硕，开发出许多不同的连接方式，如1-3-2、1-1-3型等。当前压电复合材料发展趋势有两个，分别是改进成型工艺和开发新的连接类型的压电复合材料，新的制备工艺可以直接影响压电复合材料的性能，简化制备过程，节约成本；而连接类型的开发则可以减小器件的体积，扩大其使用范围。
发明内容
本发明的目的，是为了克服BCZT压电陶瓷的脆性和机械性能差等缺点，通过新的复合连接方式，简化制备工艺，从而降低生产成本，提供一种性能优良、制备工艺简单的螺旋形无铅压电复合材料。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种螺旋形无铅压电复合材料的制备方法，具有如下步骤：
(1)采用原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按配方(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.90Ti0.10)O3来配制BCZT陶瓷粉料并放于球磨罐中，球磨6h，取出烘干后1200℃合成2h，再次球磨4h后烘干过40目筛得到BCZT陶瓷粉；
(2)制备压电陶瓷环
将步骤(1)过筛后的BCZT陶瓷粉用轧膜或流延成型工艺制备成厚度为0.6mm的陶瓷薄膜，再将陶瓷薄膜切割成2mm的细条状陶瓷带，然后选择单条或多条陶瓷带分别与A4纸条共同卷曲成圆片状，通过选择不同条数的陶瓷带和不同层数的A4纸条进行共卷成型，来控制螺旋形陶瓷环间隙的大小，从而有效的控制复合材料中的压电陶瓷相的体积分数，以制备出陶瓷相体积分数在10％～90％之间的复合材料；
(3)排胶
将步骤(2)卷曲成型的的圆片于850℃条件下进行排胶处理20min，然后将其拆分成螺旋形陶瓷环，排胶过程中保证升温速度为2℃/min，防止出现断裂；
(4)烧结
将步骤(3)排胶后的螺旋形陶瓷环在1380～1460℃条件下常压烧结2h，制得螺旋形无铅压电陶瓷环；
(5)表面处理
将步骤(4)中烧结后的螺旋形无铅压电陶瓷环放置于硅烷偶联剂溶液中进行浸泡处理12h，使其表面能与高分子聚合物具有更好的连接强度，其中硅烷偶联剂溶液质量配比为KH560硅烷偶联剂：酒精：蒸馏水为10:80:10；
(6)复合
将步骤(5)经过表面处理的螺旋形无铅压电陶瓷环置于真空条件下，并向其缝隙中灌注具有较强流动性的高分子聚合物，保持真空状态并震动；待其固化后，进行抛光处理，得到螺旋形无铅压电陶瓷环与高分子聚合物并联连接的螺旋形无铅压电复合陶瓷材料；
(7)涂电极与表面处理
将步骤(6)得到的螺旋形无铅压电复合陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，在25℃条件下，用2400V/mm的场强极化15min，得到优良性能的螺旋形无铅压电复合材料；
所述步骤(1)的CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2原料，均为市售的纯度≥99％的化学纯原料。
所述步骤(1)按照氧化锆球：原料：去离子水的重量比为2：1：0.5的比例进行球磨。
所述步骤(6)的高分子聚合物为环氧树脂。
本发明以螺旋形BCZT无铅压电陶瓷环和环氧树脂复合制备的螺旋型并联连接的压电复合材料，克服了BCZT压电陶瓷材料的脆性和机械性能差等缺点，简化了压电复材料的制备工艺，从而降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明螺旋形无铅压电复合材料的平面结构示意图。
本发明附图标记如下：
1———环氧树脂相 2———陶瓷相
具体实施方式
本发明所用CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2原料，均为市售的纯度≥99％的化学纯原料。制备方法如下：
(1)采用原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按配方(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.90Ti0.10)O3来配制BCZT陶瓷粉料并置于球磨罐中，球磨6h，取出烘干后1200℃合成2h，再次球磨4h后烘干过40目筛得到BCZT陶瓷粉；
(2)制备压电陶瓷环
将步骤(1)将过筛后的BCZT陶瓷粉用轧膜或流延成型工艺制备成厚度为0.6mm的陶瓷薄膜，再将陶瓷薄膜切割成2mm的细条状陶瓷带，然后选择单条或多条陶瓷带分别与A4纸条共同卷曲成圆片状，通过选择不同条数的陶瓷带和不同层数的A4纸条进行共卷成型，来控制螺旋形陶瓷环间隙的大小，从而有效的控制复合材料中的压电陶瓷相的体积分数，以制备出陶瓷相体积分数在10％～90％之间的复合材料；
其中单条陶瓷带与双层A4纸条共卷得到的陶瓷环复合后陶瓷相的体积分数为70％，单条陶瓷带与四层A4纸条共卷制得的陶瓷环复合后的陶瓷相体积分数为60％，两条陶瓷带共卷得到的陶瓷环复合后陶瓷相的体积分数为50％，两条陶瓷带与双层A4纸共卷得到的陶瓷环复合后陶瓷相的体积分数为40％，三条陶瓷带与三层A4纸共卷得到的陶瓷环复合后陶瓷相的体积分数为30％；
(3)排胶
将步骤(2)卷曲成型的的圆片于850℃条件下进行排胶处理20min，然后将其拆分成未烧结的螺旋形陶瓷环，排胶过程中保证升温速度为2℃/min，防止出现断裂；
(4)烧结
将步骤(3)排胶后的螺旋形陶瓷环在1380～1460℃条件下常压烧结2h，制得螺旋形无铅压电陶瓷环；
(5)表面处理
将步骤(4)中烧结后的螺旋形无铅压电陶瓷环放置于硅烷偶联剂溶液中进行浸泡处理12h，使其表面与高分子聚合物具有更好的连接强度，其中硅烷偶联剂溶液质量配比为KH560硅烷偶联剂：酒精：蒸馏水为10:80:10；
(6)复合
将步骤(5)经过表面处理的螺旋形无铅压电陶瓷环置于真空条件下，并向其缝隙中灌注具有较强流动性的高分子聚合物，保持真空状态并震动；待其固化后，进行抛光处理，得到螺旋形无铅压电陶瓷环与高分子聚合物并联连接的螺旋形无铅压电复合陶瓷材料，如图1所示，其中环氧树脂1为白色区域，BCZT的陶瓷相2为黑色区域。
(7)涂电极与表面处理
将步骤(6)得到的螺旋形无铅压电复合陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，在25℃条件下，用2400V/mm的场强极化15min，得到优良性能的螺旋形无铅压电复合材料。
本发明具体实施例的陶瓷相体积分数为60％的复合材料，在不同烧结温度及其制品的测试结果详见表1。
不同体积分数的陶瓷相在不同烧结温度及其制品的测试结果详见表2。
表1
表2

Claims (4)

1.一种螺旋形无铅压电复合材料的制备方法，具有如下步骤：
(1)采用原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按配方(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.90Ti0.10)O3来配制BCZT陶瓷粉料并放于球磨罐中，球磨6h，取出烘干后1200℃合成2h，再次球磨4h后烘干过40目筛得到锆钛酸铅BCZT陶瓷粉；
(2)制备压电陶瓷环
将步骤(1)过筛后的BCZT陶瓷粉用轧膜或流延成型工艺制备成厚度为0.6mm的陶瓷薄膜，再将陶瓷薄膜切割成2mm的细条状陶瓷带，然后选择单条或多条陶瓷带分别与A4纸条共同卷曲成圆片状，通过选择不同条数的陶瓷带和不同层数的A4纸条进行共卷成型，来控制螺旋形陶瓷环间隙的大小，从而有效的控制复合材料中的压电陶瓷相的体积分数，以制备出陶瓷相体积分数在10％～90％之间的复合材料；
(3)排胶
将步骤(2)卷曲成型的圆片于850℃条件下进行排胶处理20min，然后将其拆分成螺旋形陶瓷环，排胶过程中保证升温速度为2℃/min，防止出现断裂；
(4)烧结
将步骤(3)排胶后的螺旋形陶瓷环在1380～1460℃条件下常压烧结2h，制得螺旋形无铅压电陶瓷环；
(5)表面处理
将步骤(4)中烧结后的螺旋形无铅压电陶瓷环放置于硅烷偶联剂溶液中进行浸泡处理12h，使其表面能与高分子聚合物具有更好的连接强度，其中硅烷偶联剂溶液质量配比为KH560硅烷偶联剂：酒精：蒸馏水为10:80:10；
(6)复合
将步骤(5)经过表面处理的螺旋形无铅压电陶瓷环置于真空条件下，并向其缝隙中灌注具有较强流动性的高分子聚合物，保持真空状态并震动；待其固化后，进行抛光处理，得到螺旋形无铅压电陶瓷环与高分子聚合物并联连接的螺旋形无铅压电复合陶瓷材料；
(7)涂电极与表面处理
将步骤(6)得到的螺旋形无铅压电复合陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，在25℃条件下，用2400V/mm的场强极化15min，得到优良性能的螺旋形无铅压电复合材料。
2.根据权利要求1所述的螺旋形无铅压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2原料，均为市售的纯度≥99％的化学纯原料。
3.根据权利要求1所述的螺旋形无铅压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)按照氧化锆球：原料：去离子水的重量比为2：1：0.5的比例进行球磨。
4.根据权利要求1所述的螺旋形无铅压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)的高分子聚合物为环氧树脂。
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