CN113512261A - 一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料及其制备方法，涉及一种复合材料及其制备方法，包括无机压电材料、无水乙醇、石墨粉、二甲基甲酰胺与高分子聚合物材料。本发明的压电复合材料声阻抗小，易与水及人体组织等传播介质相匹配因其机电耦合系数较高，可使不同能量形式之间实现有效转换，具有加工方便，容易成型的特点，而由于作为填充物的非压电材料是柔性聚合物材料，因此可以很容易地制成各种形状，并且脉冲波信号带较宽，可以制造宽带换能器；水声优值比较高，可制作水声器，那么压电陶瓷/聚合物复合材料因其优越的综合性能，能够广泛的应用在计测、医疗、传感等多个领域，使用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，更具体地说，本发明涉及一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科技水平的不断发展，特别是进入二十世纪七十年代以来，电子、通讯和控制等高技术含量行业的迅速崛起，对材料的高性能、多功能、复合化，器件的小型化，结构的智能化等需求越来越高，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性和相应速度快、测量精度高、性能稳定等优点，是智能材料系统中的主导材料。有人预言，二十一世纪的新材料技术将以智能材料为代表的时代，而作为智能材料系统中的主导材料—压电材料将会更加引起各国科学家们的重视。
自1880年Curie P和Curie J兄弟发现压电现象以来，经过一百多年的发展，压电材料的种类已经由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物复合材料。压电晶体具有高压电性、高热释电性，但是相对介电常数、声阻抗、机械品质因素均较高，而且它质硬易碎，不适合制备成特殊形状，再者，在室温附近，对为中多数的压电晶体，热释电探测优值近似相等，即使通过掺杂改性，热释电性能也不可能有大的提高，因此难以满足电声、水生、超声等换能器的要求。压电聚合物虽然相对介电常数低、声阻抗率低，热释电性能好，易于制成大面积均匀的薄膜和异性换能器，但是他们的压电性能弱、介电损耗大，Curie温度低，从而限制了在大范围的应用。由于这些传统压电材料的局限性，人们试图寻找同时具有两者优点，并能抑制各自缺点的新材料，故为此我们研发了这样一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料及其制备方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料及其制备方法，本发明所要解决的技术问题是：压电性能弱、介电损耗大，Curie温度低，从而限制了在大范围的应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，包括无机压电材料、无水乙醇、石墨粉、二甲基甲酰胺与高分子聚合物材料，所述无机压电材料包括四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧，同时四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧，所述无机压电材料均匀规律的分布在高分子聚合物材料中，所述高分子聚合物材料聚偏二氟乙烯
在一个优选地实施方式中，所述无机压电材料与高分子聚合物材料复合完成之后形成压电复合膜。
在一个优选地实施方式中，所述无机压电材料中的四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧均以颗粒的形式存在。
在一个优选地实施方式中，所述无机压电材料是通过固相反应法制备，同时通式为(Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x4O3(PLZT,x＝0.02,0.03,0.04，0.05,0.06,0.07,0.08,0.09；y＝0.52～0.56)。
在一个优选地实施方式中，所述无机压电材料的质量百分比组成为50％～98％，所述高分子聚合物材料的质量百分比组成为2％～50％。
一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，包括如下步骤：
步骤一：首先利用烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片；
步骤二：然后制备石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片；
步骤三：最后通过工艺制得压电复合材料。
在一个优选地实施方式中，所述步骤一中四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧在混合前在120℃干燥箱中烘烤24h。
在一个优选地实施方式中，所述步骤一、步骤二、步骤三中加入助磨剂、粘结剂。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过步骤一、步骤二、步骤三加以制作的压电复合材料，使得此设计的压电复合材料声阻抗小，易与水及人体组织等传播介质相匹配因其机电耦合系数较高，可使不同能量形式之间实现有效转换，具有加工方便，容易成型的特点，而由于作为填充物的非压电材料是柔性聚合物材料，因此可以很容易地制成各种形状，并且脉冲波信号带较宽，可以制造宽带换能器；水声优值比较高，可制作水声器，那么压电陶瓷/聚合物复合材料因其优越的综合性能，能够广泛的应用在计测、医疗、传感等多个领域，使用范围更广。
附图说明
图1为本发明压电复合材料制备方法流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多示例实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的示例实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
本发明提供了一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，包括无机压电材料、无水乙醇、石墨粉、二甲基甲酰胺与高分子聚合物材料，所述无机压电材料包括四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧，同时四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧，所述无机压电材料均匀规律的分布在高分子聚合物材料中，所述高分子聚合物材料聚偏二氟乙烯。
本发明其中，所述无机压电材料与高分子聚合物材料复合完成之后形成压电复合膜。
本发明其中，所述无机压电材料中的四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧均以颗粒的形式存在。
本发明其中，所述无机压电材料是通过固相反应法制备，同时通式为(Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x4O3(PLZT,x＝0.02,0.03,0.04，0.05,0.06,0.07,0.08,0.09；y＝0.52～0.56)。
实施例1，参考图1
一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧先经过球磨混合4h，再将混合好的原料放入锅炉中，经960℃高温预烧2h，再将预烧好的原料进行细磨14h，然后进行轧膜成型、冲片制得尺寸9.6mm×0.5mm的陶瓷圆片，最后进行排胶、烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片。
步骤二：首先将一定量的石墨粉分散在二甲基甲酰胺中，在30℃-40℃范围内超声处理9h，得到石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液；重复上述操作，将聚偏二氟乙烯分散在二甲基甲酰胺中，待完全溶解得到聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液，然后按照设计好的质量比，将石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液与聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液混合，接着混合液体在40℃机械搅拌4h，然后在70℃超声处理2h，制得分散均匀的石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液，再将石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液倒入模具中刮平，并水平放置在70℃敞开环境中加热4h，最后在140℃真空炉中热处理3h后冷却至室温，得到石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片。
步骤三：首先将制备得到石墨粉混入无水乙醇中,超声分散10小时，得到石墨粉-乙醇悬浮液；同时将聚偏二氟乙烯混入乙醇溶液，机械搅拌lh,得到聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液；之后将石墨粉-乙醇悬浮液与聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液混合，机械搅拌30min,超声处理30min后加入PLZT压电陶瓷粉，机械搅拌30min,然后超声分散30min,70℃下干燥24h，研碎待用:混合均匀的混合粉末装入模具中在20MPa,180C保压120min,然后在20MPa压力下冷却至室温，脱模制得直径15mm,厚度0.6mm左右的复合片。通过之前讨论可知,石墨粉在180摄氏度被还原成石墨烯(RG)，此时得到的即为PLZT/RG/聚偏二氟乙烯三相压电复合材料，通过丝网印刷技术在样品表面印制导电胶，150℃下烘干即可。
本发明将烧结后的样品进行打磨、抛光，再进行XRD的测试，此时未经任何处理的原始出炉样品进行自由表面和端面的SEM测试，再将侧弯XRD的样品经超声清洗后，用丝网印刷技术将银浆均匀的涂覆于样片的上下表面，然后烧渗电极，使得陶瓷片被银后再3kV/mm的电场下空气极化，最后在空气中放置24h后测试产品电性能。
实施例2，参考图1
一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧先经过球磨混合4h，再将混合好的原料放入锅炉中，经800℃高温预烧2h，再将预烧好的原料进行细磨14h，然后进行轧膜成型、冲片制得尺寸9.6mm×0.5mm的陶瓷圆片，最后进行排胶、烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片。
步骤二：首先将一定量的石墨粉分散在二甲基甲酰胺中，在30℃-40℃范围内超声处理9h，得到石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液；重复上述操作，将聚偏二氟乙烯分散在二甲基甲酰胺中，待完全溶解得到聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液，然后按照设计好的质量比，将石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液与聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液混合，接着混合液体在40℃机械搅拌4h，然后在70℃超声处理2h，制得分散均匀的石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液，再将石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液倒入模具中刮平，并水平放置在70℃敞开环境中加热4h，最后在140℃真空炉中热处理3h后冷却至室温，得到石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片。
步骤三：首先将制备得到石墨粉混入无水乙醇中,超声分散10小时，得到石墨粉-乙醇悬浮液；同时将聚偏二氟乙烯混入乙醇溶液，机械搅拌lh,得到聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液；之后将石墨粉-乙醇悬浮液与聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液混合，机械搅拌30min,超声处理30min后加入PLZT压电陶瓷粉，机械搅拌30min,然后超声分散30min,70℃下干燥24h，研碎待用:混合均匀的混合粉末装入模具中在20MPa,180C保压60min,然后在5MPa压力下冷却至室温，脱模制得直径15mm,厚度0.6mm左右的复合片。通过之前讨论可知,石墨粉在180摄氏度被还原成石墨烯(RG)，此时得到的即为PLZT/RG/聚偏二氟乙烯三相压电复合材料，通过丝网印刷技术在样品表面印制导电胶，150℃下烘干即可。
本发明将烧结后的样品进行打磨、抛光，再进行XRD的测试，此时未经任何处理的原始出炉样品进行自由表面和端面的SEM测试，再将侧弯XRD的样品经超声清洗后，用丝网印刷技术将银浆均匀的涂覆于样片的上下表面，然后烧渗电极，使得陶瓷片被银后再5kV/mm的电场下空气极化，最后在空气中放置24h后测试产品电性能。
实施例3，参考图1
一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧先经过球磨混合4h，再将混合好的原料放入锅炉中，经700℃高温预烧2h，再将预烧好的原料进行细磨14h，然后进行轧膜成型、冲片制得尺寸9.6mm×0.5mm的陶瓷圆片，最后进行排胶、烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片。
步骤二：首先将一定量的石墨粉分散在二甲基甲酰胺中，在30℃-40℃范围内超声处理9h，得到石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液；重复上述操作，将聚偏二氟乙烯分散在二甲基甲酰胺中，待完全溶解得到聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液，然后按照设计好的质量比，将石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液与聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液混合，接着混合液体在40℃机械搅拌4h，然后在70℃超声处理2h，制得分散均匀的石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液，再将石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液倒入模具中刮平，并水平放置在70℃敞开环境中加热4h，最后在140℃真空炉中热处理3h后冷却至室温，得到石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片。
步骤三：首先将制备得到石墨粉混入无水乙醇中,超声分散10小时，得到石墨粉-乙醇悬浮液；同时将聚偏二氟乙烯混入乙醇溶液，机械搅拌lh,得到聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液；之后将石墨粉-乙醇悬浮液与聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液混合，机械搅拌30min,超声处理30min后加入PLZT压电陶瓷粉，机械搅拌30min,然后超声分散30min,70℃下干燥24h，研碎待用:混合均匀的混合粉末装入模具中在20MPa,180C保压30min,然后在5MPa压力下冷却至室温，脱模制得直径15mm,厚度0.6mm左右的复合片。通过之前讨论可知,石墨粉在180摄氏度被还原成石墨烯(RG)，此时得到的即为PLZT/RG/聚偏二氟乙烯三相压电复合材料，通过丝网印刷技术在样品表面印制导电胶，150℃下烘干即可。
本发明将烧结后的样品进行打磨、抛光，再进行XRD的测试，此时未经任何处理的原始出炉样品进行自由表面和端面的SEM测试，再将侧弯XRD的样品经超声清洗后，用丝网印刷技术将银浆均匀的涂覆于样片的上下表面，然后烧渗电极，使得陶瓷片被银后再8kV/mm的电场下空气极化，最后在空气中放置24h后测试产品电性能。
本发明实施方式
首先将四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧先经过球磨混合4h，再将混合好的原料放入锅炉中，经960℃高温预烧2h，再将预烧好的原料进行细磨14h，然后进行轧膜成型、冲片制得尺寸9.6mm×0.5mm的陶瓷圆片，最后进行排胶、烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片，再将一定量的石墨粉分散在二甲基甲酰胺中，在30℃-40℃范围内超声处理9h，得到石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液；重复上述操作，将聚偏二氟乙烯分散在二甲基甲酰胺中，待完全溶解得到聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液，然后按照设计好的质量比，将石墨粉-二甲基甲酰胺悬浮液与聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺溶液混合，接着混合液体在40℃机械搅拌4h，然后在70℃超声处理2h，制得分散均匀的石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液，再将石墨粉-聚偏二氟乙烯-二甲基甲酰胺混合液倒入模具中刮平，并水平放置在70℃敞开环境中加热4h，最后在140℃真空炉中热处理3h后冷却至室温，得到石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片，再将制备得到石墨粉混入无水乙醇中,超声分散10小时，得到石墨粉-乙醇悬浮液；同时将聚偏二氟乙烯混入乙醇溶液，机械搅拌lh,得到聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液；之后将石墨粉-乙醇悬浮液与聚偏二氟乙烯-乙醇悬浮液混合，机械搅拌30min,超声处理30min后加入PLZT压电陶瓷粉，机械搅拌30min,然后超声分散30min,70℃下干燥24h，研碎待用:混合均匀的混合粉末装入模具中在20MPa,180C保压30min,然后在20MPa压力下冷却至室温，脱模制得直径15mm,厚度0.6mm左右的复合片。通过之前讨论可知,石墨粉在180摄氏度被还原成石墨烯(RG)，此时得到的即为PLZT/RG/聚偏二氟乙烯三相压电复合材料，通过丝网印刷技术在样品表面印制导电胶，150℃下烘干即可，通过步骤一、步骤二、步骤三加以制作的压电复合材料，使得此设计的压电复合材料声阻抗小，易与水及人体组织等传播介质相匹配因其机电耦合系数较高，可使不同能量形式之间实现有效转换，具有加工方便，容易成型的特点，而由于作为填充物的非压电材料是柔性聚合物材料，因此可以很容易地制成各种形状，并且脉冲波信号带较宽，可以制造宽带换能器；水声优值比较高，可制作水声器，那么压电陶瓷/聚合物复合材料因其优越的综合性能，能够广泛的应用在计测、医疗、传感等多个领域，使用范围更广。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，包括无机压电材料、无水乙醇、石墨粉、二甲基甲酰胺与高分子聚合物材料，其特征在于：所述无机压电材料包括四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧，所述无机压电材料均匀规律的分布在高分子聚合物材料中，所述高分子聚合物材料聚偏二氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，其特征在于：所述无机压电材料与高分子聚合物材料复合完成之后形成压电复合膜。
3.根据权利要求1所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，其特征在于：所述无机压电材料中的四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧均以颗粒的形式存在。
4.根据权利要求1所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料，其特征在于：所述无机压电材料是通过固相反应法制备，同时通式为(Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x4O3(PLZT,x＝0.02,0.03,0.04，0.05,0.06,0.07,0.08,0.09；y＝0.52～0.56)。
5.根据权利要求5所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，其特征在于：所述无机压电材料的质量百分比组成为50％～98％，所述高分子聚合物材料的质量百分比组成为2％～50％。
6.根据权利要求1所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：首先利用烧结工艺制得PLZT压电陶瓷片；
步骤二：然后制备石墨粉/聚偏二氟乙烯纳米复合薄片；
步骤三：最后通过工艺制得压电复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤一中四氧化三铅、二氧化锆、二氧化钛与氧化镧在混合前在120℃干燥箱中烘烤24h。
8.根据权利要求6所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤一、步骤二、步骤三中加入助磨剂、粘结剂。
9.根据权利要求6所述的一种用于触摸反馈的高灵敏压电复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤三中制备压电复合材料的压力为5～20Mpa，保压时间为30～120min。
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