CN110386775B - 一种压电性能优异的0-3型压电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及0‑3型压电复合材料制备技术领域，且公开了一种压电性能优异的0‑3型压电复合材料，包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、40～50份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5～10份的微米级的导电金属粉；上述0‑3型压电复合材料的制备方法包括以下步骤：先通过球磨混合的方法使上述原料混合均匀，再将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压，得到0‑3型压电复合材料。本发明解决了目前现有的0‑3型压电复合材料，在不引入低介电层的表面活性剂或分散剂时，压电陶瓷颗粒易发生团聚、无法在0‑3型压电复合材料中均匀分散的技术问题。

Description

一种压电性能优异的0-3型压电复合材料
技术领域
本发明涉及0-3型压电复合材料制备技术领域，具体为一种压电性能优异的0-3型压电复合材料。
背景技术
压电材料是实现机械能(包括声能)与电能之间转换的重要功能材料，其特别是在信息的检测、转换、处理和储存等传感器领域占有非常重要的地位。压电复合材料是将压电陶瓷和其他基体材料按一定的连通方式复合而成的一类新型压电功能材料，其中，0-3型压电复合材料表示压电陶瓷颗粒(0维)均匀分布在3维连通的聚合物中形成的复合体系。而0-3型压电复合材料以成型加工容易(只需将压电陶瓷粉末和聚合物混合在一起，通过聚合物加工方法就可以得到成品)、柔韧性好、容易制得大面积传感器、综合压电性能好等优点而倍受青睐。
要得到综合性能优异的0-3型压电复合材料，关键是复合材料的极化。诸多错综复杂的影响因素制约着压电复合材料的充分极化。因此，在设计和制备压电复合材料时总是遇到很多矛盾和困难。其中较为突出的问题是：0-3型压电复合材料材料的压电性能与分散问题。通常情况下，要使压电陶瓷颗粒能在0-3型压电复合材料中均匀分散。因为均匀分散的压电陶瓷颗粒能以单个颗粒的形式存在于聚合物基体中，有利于复合材料的应力传递和介电耦合，形成压电性能很好的体系。而事实上，用一般成型工艺(如热压法)得到的复合材料中压电陶瓷颗粒总是存在团聚的现象。对压电陶瓷颗粒进行表面处理，引入表面活性剂或分散剂，可以解决陶瓷颗粒的团聚问题；但在压电陶瓷颗粒和聚合物界面引入低介电层不利于复合材料极化。另一种方法是利用原位复合技术在聚合物基体中直接生成压电陶瓷颗粒，可以得到分散均匀的复合材料体系，但这种体系中的压电陶瓷颗粒体积含量很低，压电性能也不好。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种压电性能优异的0-3型压电复合材料，解决了目前现有的0-3型压电复合材料，在不引入低介电层的表面活性剂或分散剂时，压电陶瓷颗粒易发生团聚、无法在0-3型压电复合材料中均匀分散的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种压电性能优异的0-3型压电复合材料，包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、40～50份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5～10份的微米级的导电金属粉；
上述0-3型压电复合材料的制备方法包括以下步骤：先通过球磨混合的方法使上述原料混合均匀，再将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压，得到0-3型压电复合材料。
优选的，所述导电金属粉为平均粒径38um的微米铜(Cu)粉。
优选的，所述导电金属粉为平均粒径38um的微米铝(Al)粉。
优选的，所述导电金属粉为平均粒径38um的微米银(Ag)粉。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
本发明通过引入介电性能优异的导电金属粉，采用球磨混合方法使平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒均匀负载在平均粒径38um的导电金属粉的表面上，与基体材料聚偏氟乙烯(PVDF)粉进行复合，得到压电常数d33为53～58pC/N、介电损耗tanδ为0.011～0.012、介电常数εr为221～231、电导率σ为10-5S/m的压电性能优异的0-3型压电复合材料；
即实现在不引入低介电层的表面活性剂或分散剂时，压电陶瓷颗粒仍然能够在0-3型压电复合材料中均匀分散、不发生团聚的技术效果。
具体实施方式
以下实施例与对比例中所使用的原料如下：
锆钛酸铅(Pb(Ti0.48Zr0.52)O3，PZT)陶瓷颗粒，平均粒径3um，压电系数>400pC/N、介电常数>1600、介电损耗<0.005、电导率10-7S/m；
聚偏氟乙烯(PVDF)粉、平均粒径38um；
微米铜(Cu)粉，平均粒径38um；
微米铝(Al)粉，平均粒径38um；
微米银(Ag)粉，平均粒径38um。
实施例一：
0-3型压电复合材料包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、45份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、10份的平均粒径38um的微米铜(Cu)粉；
步骤一：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、10份的平均粒径38um的微米铜(Cu)粉与100mL无水乙醇一起放置在不锈钢球磨容器内，并置于球磨仪上进行球磨，调整球磨转速为300r/min，每球磨30min间歇5min，球磨时间为2h，得到一次球磨产物；
步骤二：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到一次球磨产物中，调整球磨转速为350r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇10min，得到二次球磨产物；
步骤三：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到二次球磨产物中，调整球磨转速为400r/min，球磨时间为2h；
之后，将45份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉加入上述球磨产物中进行球磨，调整球磨转速为500r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇20min，得到三次球磨产物；
步骤四：将三次球磨产物放置在温度80℃的烘箱内进行干燥，直至复合体系内不含有无水乙醇为止，得到分散均匀的复合体系；
步骤五：将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压4h，温度降至室温时脱模，得到φ12mm、厚200～300um的0-3型压电复合材料。
实施例二：
0-3型压电复合材料包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、40份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、15份的平均粒径38um的微米铝(Al)粉；
步骤一：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、15份的平均粒径38um的微米铝(Al)粉与100mL无水乙醇一起放置在不锈钢球磨容器内，并置于球磨仪上进行球磨，调整球磨转速为300r/min，每球磨30min间歇5min，球磨时间为2h，得到一次球磨产物；
步骤二：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到一次球磨产物中，调整球磨转速为350r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇10min，得到二次球磨产物；
步骤三：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到二次球磨产物中，调整球磨转速为400r/min，球磨时间为2h；
之后，将40份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉加入上述球磨产物中进行球磨，调整球磨转速为500r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇20min，得到三次球磨产物；
步骤四：将三次球磨产物放置在温度80℃的烘箱内进行干燥，直至复合体系内不含有无水乙醇为止，得到分散均匀的复合体系；
步骤五：将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压4h，温度降至室温时脱模，得到φ12mm、厚200～300um的0-3型压电复合材料。
实施例三：
0-3型压电复合材料包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、50份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5份的平均粒径38um的微米银(Ag)粉；
步骤一：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、5份的平均粒径38um的微米银(Ag)粉与100mL无水乙醇一起放置在不锈钢球磨容器内，并置于球磨仪上进行球磨，调整球磨转速为300r/min，每球磨30min间歇5min，球磨时间为2h，得到一次球磨产物；
步骤二：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到一次球磨产物中，调整球磨转速为350r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇10min，得到二次球磨产物；
步骤三：将15份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到二次球磨产物中，调整球磨转速为400r/min，球磨时间为2h；
之后，将50份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉加入上述球磨产物中进行球磨，调整球磨转速为500r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇20min，得到三次球磨产物；
步骤四：将三次球磨产物放置在温度80℃的烘箱内进行干燥，直至复合体系内不含有无水乙醇为止，得到分散均匀的复合体系；
步骤五：将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压4h，温度降至室温时脱模，得到φ12mm、厚200～300um的0-3型压电复合材料。
性能测试：
采用精密阻抗分析仪对实施例中的0-3型压电复合材料进行电容和介电损耗(tanδ)测试，并计算出介电常数εr，采用准静态测量仪测量实施例中的0-3型压电复合材料的压电常数d33，采用电导率测试仪测量实施例中的0-3型压电复合材料的电导率σ，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002171176920000061

Claims (1)

1.一种压电性能优异的0-3型压电复合材料，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：45份的平均粒径3 μm 的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、50份的平均粒径38μm 的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5份的平均粒径38μm 的微米银(Ag)粉；
上述0-3型压电复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：将15份的平均粒径3μm 的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、5份的平均粒径38μm 的微米银(Ag)粉与100mL无水乙醇一起放置在不锈钢球磨容器内，并置于球磨仪上进行球磨，调整球磨转速为300r/min，每球磨30min间歇5min，球磨时间为2h，得到一次球磨产物；
步骤二：将15份的平均粒径3μm 的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到一次球磨产物中，调整球磨转速为350r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇10min，得到二次球磨产物；
步骤三：将15份的平均粒径3μm 的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒加入到二次球磨产物中，调整球磨转速为400r/min，球磨时间为2h；
之后，将50份的平均粒径38μm 的聚偏氟乙烯(PVDF)粉加入上述球磨产物中进行球磨，调整球磨转速为500r/min，球磨时间为2h，每球磨30min间歇20min，得到三次球磨产物；
步骤四：将三次球磨产物放置在温度80℃的烘箱内进行干燥，直至复合体系内不含有无水乙醇为止，得到分散均匀的复合体系；
步骤五：将分散均匀的复合体系在温度为200℃、压力为150MPa的钢制模具中保持热压4h，温度降至室温时脱模，得到φ12mm、厚200～300μm 的0-3型压电复合材料。
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