CN109004085A - 一种0-3型压电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种0‑3型压电复合材料及其制备方法。通过在聚合物材料中加入无机压电材料颗粒，并且通过施加交流电，使0‑3型压电复合材料中的无机压电材料颗粒呈线性排列，而获得新型的压电复合材料。与现有技术相比，本发明降低了制备压电复合材料的难度和成本，大大地提高了压电复合材料的压电系数和柔性。使其在医疗及可穿戴设备中作为传感器发挥更重要的潜在应用价值。

Description

一种0-3型压电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压电复合材料，尤其是涉及一种聚合物材料与无机压电材料复合的压电复合材料及其制备方法。
背景技术
压电材料是实现机械能与电能之间转换的重要的功能材料。压电材料在电、磁、声、热和力等交互效应的功能转换器件中得到了广泛的应用。
常用的压电陶瓷材料具有压电性能优良、介电损耗低和机电藕合系数大等优点，被广泛应用于压电换能器、传感器等方面。但压电陶瓷材料成型温度较高、制备工艺较复杂、韧性差、表面硬度大、易开裂、密度高、耐冲击性能差，不易制得很薄的薄膜材料和复杂的形状，而且其声阻抗大，以及不易与水和人体等轻质负载匹配的缺点，使其在有些方面的应用受到了很大限制。
压电聚合物虽然具有密度低、柔顺性好、声阻抗小，易与轻质负载匹配的特性，但其存在着压电系数和机电耦合系数较低，使用温度范围窄，材料厚度受制约，有较强的各向异性和极化困难、温度特性和老化特性差等问题。
为了克服单一压电材料性能上的不足，人们尝试着两类不同的材料进行复合而获得新型的压电材料，使其兼有各相材料自身的优点。
1-3型压电复合材料是由一维自连的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物基体中而构成的具有压电效应的两相压电复合材料，其极化方向与柱轴方向相同。1-3型压电复合材料由于在某种程度上克服了纯压电陶瓷在强度、脆性方面的缺陷，同时大大增大了其在纵向的耦合系数，但其制备工艺复杂，成本高等缺点使其无法广泛应用。
0-3型压电复合材料无需高温烧结、成型加工缺陷少、能耗低、选择恰当条件能实现无机/高聚物两相间的良好界面结合与过渡，制作工艺简单，易于加工成形，易于制造，其优异的可柔性加工性能尤其是大面积成形及长线度加工的特点是其他复合材料无法相比的。0-3型压电复合材料缺乏所需的应力集中因素，其中的压电陶瓷相极化比较困难，使复合材料的压电系数相对较小。
因此，针对上述缺陷，迫切需要寻找一种新的简单经济的制备方法，以获得高压电系数、韧性好的0-3型压电复合材料
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种0-3型压电复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面：提供一种0-3型压电复合材料，由无机压电材料和聚合物材料组成，所述无机压电材料不连续的分布在连续的聚合物材料中。
在一个实施方式中，所述聚合物材料构成压电复合材料的基体，所述聚合物材料是三维连通的。
在一个优选的实施方式中，所述无机压电材料规律性地分布在所述聚合物材料中。
在一个进一步优选的实施方式中，所述无机压电材料以颗粒的形式存在，无机压电材料颗粒沿所述压电复合材料的厚度方向呈线性排列，形成无机压电材料颗粒柱。
在一个更进一步优选的实施方式中，所述的无机压电材料颗粒柱之间互相平行，周期性间隔地排列于压电复合材料基体中。
在一个再进一步优选的实施方式中，所述无机压电材料颗粒在沿所述压电复合材料的厚度方向呈紧密排列，在所述压电复合材料表面呈松散的线性排列。
在一个实施方式中，所述无机压电材料包括聚偏氟乙烯PVDF，所述聚合物材料包括锆钛酸铅PZT。
本发明第二方面：提供一种0-3型压电复合材料的制备方法：将聚合物材料和无机压电材料在液态状态下搅拌，混合均匀后倒入两平行电极板间，施加一定频率的交流电，并保持该电压直至聚合物固化。
在一个优选的实施方式中，所述无机压电材料颗粒的大小为25～165μm，所述无机压电材料颗粒占压电复合材料总体积的20％～80％。
在一个优选的实施方式中，所述的平行电极板的板间距为100～1000μm。
在一个实施方式中，还包括极化的步骤，聚合物固化后，取出，在材料两面通过镀上银电极，极化，其中极化场强度为1000～10000V/mm，同时保持加热温度为120℃，在此状态下，极化时间1～60s。
由于现有压电聚合物材料的压电系数还很低，目前对压电聚合物材料的研究主要集中在探索新的柔性高压电系数的复合压电材料。
与现有技术相比，本发明依靠在聚合物材料中加入无机压电材料颗粒，通过施加交流电，使0-3型压电复合材料中的无机压电材料颗粒呈线性排列。这种方式降低了制备高压电系数的压电复合材料的难度和成本，并且大大地提高了压电复合材料的压电系数和柔性。使其在医疗及可穿戴设备中作为传感器发挥更重要的潜在应用价值。
本发明提供的制备方法综合了0-3型复合材料与1-3型复合材料的优点。通过将无机压电材料和聚合物材料两类不同的材料进行复合，克服了单一压电材料性能上的不足，兼有各相材料自身的优点。
附图说明
图1为0-3型压电复合材料的制备方法流程图。
图2固化前无机压电材料颗粒的分布。
图3固化后无机压电材料颗粒的分布。
具体实施方式
提供一种0-3型压电复合材料的制备方法：将聚合物材料和无机压电材料在液态状态下搅拌，混合均匀后倒入两平行电极板间，施加一定频率的交流电，并保持该电压直至聚合物固化。
在一个具体的实施方式中，所述无机压电材料选自锆钛酸铅PZT，所述聚合物材料选自聚偏氟乙烯PVDF。
待有机聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)和有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺混合均匀之后加入导电锆钛酸铅陶瓷粉，搅拌至均匀。其中，所述导电锆钛酸铅陶瓷粉颗粒的大小为25～165μm。其中，所述导电锆钛酸铅陶瓷粉颗粒占聚偏氟乙烯与导电锆钛酸铅陶瓷粉颗粒体积之和的20％～80％。
电动搅拌后将液体混合物倒入两平行电极板间。所述平行电极板为半透膜，可以使得N，N二甲基乙酰胺蒸发后逸出。所述平行板间距为100～1000μm，两板间施加电压100V、频率50HZ的交流电，并保持该状态直至聚合物固化，即为0-3型压电复合材料。
将固化后的薄膜材料取出，在两面通过镀上银电极，其中极化场强度为1000～10000V/mm。同时保持加热温度为120℃，在所述状态下，极化时间1～60s。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
0-3型压电复合材料的制备，制备流程如图1。
(1)聚偏氟乙烯和有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺以1：10的质量比进行混合；
(2)待混合均匀之后加入颗粒的大小为50μm无机压电材料锆钛酸铅压电陶瓷，无机压电材料占压电复合材料体积之和的60％，电动搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)的液体混合物倒入板间距为500μm的两平行电极板间，施加电压100V、频率50HZ的交流电，并保持该电压直至聚合物固化；
(4)将固化后的薄膜材料取出，通过极化在两面镀上银电极，极化条件为场强度为5000V/mm。同时保持加热温度为120℃，在所述状态下，极化时间30s。
在聚合物材料中加入无机压电材料颗粒，且施加交流电使压电复合材料中的无机压电材料颗粒从无序分布状态(图2)转为均匀分布状态(图3)。制备得到的压电复合材料具有高压电系数、韧性好的特点。
实施例2
0-3型压电复合材料的制备，制备流程如图1。
(1)聚偏氟乙烯和有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺以1：5的质量比进行混合；
(2)待混合均匀之后加入颗粒的大小为25μm无机压电材料锆钛酸铅压电陶瓷，无机压电材料占压电复合材料体积之和的20％，电动搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)的液体混合物倒入板间距为100μm的两平行电极板间，施加电压100V、频率50HZ的交流电，并保持该电压直至聚合物固化；
(4)将固化后的薄膜材料取出，通过极化在两面镀上银电极，极化条件为场强度为1000V/mm。同时保持加热温度为120℃，在所述状态下，极化时间1s。
在聚合物材料中加入无机压电材料颗粒，且施加交流电使压电复合材料中的无机压电材料颗粒从无序分布状态转为均匀分布状态。制备得到的压电复合材料具有高压电系数、韧性好的特点。
实施例3
0-3型压电复合材料的制备，制备流程如图1。
(1)聚偏氟乙烯和有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺以1：15的质量比进行混合；
(2)待混合均匀之后加入颗粒的大小为165μm无机压电材料锆钛酸铅压电陶瓷，无机压电材料占压电复合材料体积之和的80％，电动搅拌至均匀；
(3)将步骤(2)的液体混合物倒入板间距为1000μm的两平行电极板间，施加电压100V、频率50HZ的交流电，并保持该电压直至聚合物固化；
(4)将固化后的薄膜材料取出，通过极化在两面镀上银电极，极化条件为场强度为10000V/mm。同时保持加热温度为120℃，在所述状态下，极化时间60s。
在聚合物材料中加入无机压电材料颗粒，且施加交流电使压电复合材料中的无机压电材料颗粒从无序分布状态转为均匀分布状态。制备得到的压电复合材料具有高压电系数、韧性好的特点。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种0-3型压电复合材料，其特征在于，由无机压电材料和聚合物材料组成，所述无机压电材料不连续的分布在连续的聚合物材料中。
2.根据权利要求1所述的一种0-3型压电复合材料，其特征在于，所述聚合物材料构成压电复合材料的基体，所述聚合物材料是三维连通的。
3.根据权利要求2所述的一种0-3型压电复合材料，其特征在于，所述无机压电材料规律性地分布在所述聚合物材料中。
4.根据权利要求3所述的一种0-3型压电复合材料，其特征在于，所述无机压电材料以颗粒的形式存在，无机压电材料颗粒沿所述压电复合材料的厚度方向呈线性排列，形成无机压电材料颗粒柱。
5.根据权利要求4所述的一种0-3型压电复合材料，其特征在于，所述无机压电材料颗粒柱之间互相平行，周期性间隔地排列于压电复合材料基体中。
6.根据权利要求5所述的一种0-3型压电复合材料，其特征在于，所述无机压电材料颗粒在沿所述压电复合材料的厚度方向呈紧密排列，在所述压电复合材料表面呈松散的线性排列。
7.根据权利要求1-6中任一项所述0-3型压电复合材料的制备方法，其特征在于，将聚合物材料和无机压电材料在液态状态下搅拌，混合均匀后倒入两平行电极板间，施加一定频率的交流电，并保持该电压直至聚合物固化。
8.根据权利要求7所述0-3型压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述无机压电材料颗粒的大小为25～165μm，所述无机压电材料颗粒占压电复合材料总体积的20％～80％。
9.根据权利要求7所述0-3型压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述的平行电极板的板间距为100～1000μm。
10.根据权利要求7所述0-3型压电复合材料的制备方法，其特征在于，还包括极化的步骤，聚合物固化后，取出，在材料两面通过镀上银电极，极化，其中极化场强度为1000～10000V/mm，同时保持加热温度为120℃，在此状态下，极化时间1～60s。
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