CN114507365A - 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法 - Google Patents

一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114507365A
CN114507365A CN202210191937.6A CN202210191937A CN114507365A CN 114507365 A CN114507365 A CN 114507365A CN 202210191937 A CN202210191937 A CN 202210191937A CN 114507365 A CN114507365 A CN 114507365A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
composite material
pvdf
phase composite
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210191937.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114507365B (zh
Inventor
郑木鹏
赵俊
武旭辰
朱满康
侯育冬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN202210191937.6A priority Critical patent/CN114507365B/zh
Publication of CN114507365A publication Critical patent/CN114507365A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114507365B publication Critical patent/CN114507365B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2327/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
    • C08J2327/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08J2327/12—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08J2327/16—Homopolymers or copolymers of vinylidene fluoride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2237—Oxides; Hydroxides of metals of titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法，属于柔性压电复合材料领域。选取熔盐法制备的高性能锆钛酸钡钙(BCZT)陶瓷粉体作为压电相，高导电性和高力学性能的碳纳米管(CNTs)作为导电相，通过调控热压工艺参数使各相在聚偏氟乙烯(PVDF)基质中均匀随机分布，制备了BCZT/CNTs/PVDF柔性压电三相复合材料。该复合材料具有高的开路电压和短路电流，在柔性压电能量收集领域具有重要应用价值。

Description

一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制 备方法
技术领域
本发明属于柔性压电复合材料领域，具体涉及一种由无铅压电颗粒与碳纳米管协同增强的柔性压电三相复合材料及其制备方法。
背景技术
聚偏氟乙烯(PVDF)因为自身良好的柔性和可加工性，以及较大的压电电压常数等优点在柔性压电能量收集器件领域受到广泛关注。但是，PVDF作为一种半结晶聚合物，压电效应主要取决于电偶极矩最大的β相，而纯PVDF主要呈现为α相。因此，PVDF的压电输出性能较低，所产生的电压、电流不能满足微电子器件对电能的需求。
为了获得大的电压和电流值，最常用的方法是在PVDF材料的基础上，引入高压电性能的陶瓷颗粒相以提升其发电性能。然而，无机压电颗粒在PVDF基体中呈孤立分布的特征，对力电性能的转换存在极大限制。首先，当外力作用于复合材料时，需要通过PVDF作为媒介将外力传递到压电颗粒上。PVDF的杨氏模量较低，使得大部分外力被PVDF基体吸收和耗散，仅有很小的一部分作用力可以被有效的传递到刚性的压电颗粒。其次，高压电性能的无机颗粒被高绝缘有机基体包裹，在人工高压极化过程中，真正施加到压电颗粒上的极化电压极为有限，压电颗粒极化不完全，导致柔性压电能量收集器的输出电流普遍偏低，严重制约了柔性压电能量收集器的实际应用。
在本发明中，我们提出了一种新的柔性压电复合材料设计思路，即在传统压电陶瓷颗粒与PVDF构成的柔性压电复合材料中，引入高导电性和高力学性能的碳纳米管(CNTs)作为第三相，通过调控热压工艺参数使各相在基质中均匀随机分布，制备了具有优异发电性能的柔性压电三相复合材料。
发明内容
本发明提供了一种基于压电颗粒与导电相协同设计的柔性压电三相复合材料及其制备方法。以熔盐法制备的高分散性锆钛酸钡钙(BCZT)粉体作为压电相，CNTs作为导电相，PVDF作为有机基体，通过热压工艺，同时施加压力和传递热量，使各相在基质中均匀的随机分布，可实现大的开路电压和短路电流。
上述柔性复合材料的制备方法如下：
1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行BCZT粉体、CNTs的称量，其中x的数值为8wt.％～32wt.％，y的数值为0wt.％～0.15wt.％且不为0；
2)将PVDF聚合物倒入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在50℃下加热搅拌，至溶液完全透明；
3)将不同质量比的CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；
4)将熔盐法制备粒径为800μm～1000μm的BCZT粉末按不同的质量比加入到步骤3)混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；
5)为将溶剂DMF去除，将步骤4)所得混合溶液缓慢倒入去离子水中，并搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出于80℃下经10h烘干为所得样品；
6)将步骤5)所得干燥样品在20MPa的压力下干压成圆片，再放入平行板模具中，在190℃、20MPa下自然拉伸热压10min，得到压电三相复合材料。
7)在压电三相复合材料样品上下表面涂覆银电极，硅油中施加直流电场进行极化。极化电压设定为200kV/cm，极化温度为80℃，极化时间为4h。
本发明的复合材料用于柔性压电能量收集领域。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
通过引入高压电性能的BCZT作为压电相，CNTs作为第三相，并通过热压工艺制备了一种三相随机分布的BCZT/CNTs/PVDF柔性压电复合材料，这种结构显著地提高了PVDF材料的开路电压和短路电流。
附图说明
图1 16wt.％BCZT/0.1wt.％CNTs/PVDF柔性压电三相复合材料扫描电镜图
图2 16wt.％BCZT/yCNTs/PVDF柔性压电三相复合材料的电性能图：(a)开路电压波形图，(b)短路电流波形图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点。应该指出，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。
以熔盐法制备的高分散性BCZT粉体作为压电相，CNTs作为导电相，PVDF作为基体，按照PVDF、CNTs、BCZT的顺序进行称量并充分混合，得到混合浆料，进一步将混合浆料缓慢倒入去离子水中，得到混合均匀的絮状混合物；将干燥后的絮状混合物进行热压处理，通过调控压力、温度及保温的时间，实现压电相与导电相随机均匀分布于基体中，之后进行电极的组装，经过人工极化处理后，获得所述柔性压电三相复合材料。
实施例1：
1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.025wt.％；
2)将PVDF聚合物倒入DMF溶液中，在50℃下加热搅拌溶液，至溶液完全透明；
3)把CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；
4)将熔盐法制备的BCZT粉末按不同的体积比加入到混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；
5)为了将溶剂DMF去除，将混合溶液缓慢倒入装有1L去离子水的烧杯中，并在搅拌器中搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出，于80℃下经10h烘干；
6)将干燥样品在20MPa的压力下干压成直径为40mm的圆片，再放入平行板模具中，在190℃，20MPa下自然拉伸热压10min，得到压电三相复合材料；
7)在压电三相复合材料样品上下表面涂覆银电极，硅油中施加直流电场进行极化。极化电压设定为200kV/cm，极化温度为80℃，极化时间为4h。
实施例2：
按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.050wt.％。其它同实施例1。
实施例3：
按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.075wt.％。其它同实施例1。
实施例4：
按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.100wt.％。其它同实施例1。
实施例5：
按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.125wt.％。其它同实施例1。
实施例6：
按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.150wt.％。其它同实施例1。
取实施例1～6所制备的柔性压电三相复合材料制成悬臂梁能量收集器，在加速度为1g、频率为21Hz条件下测试其发电性能。得到的测试结果如表1所示。
表1上述实施例性能对比表
Figure BDA0003525211040000041

Claims (5)

1.一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行BCZT粉体、CNTs的称量，其中x的数值为8wt.％～32wt.％，y的数值为0wt.％～0.15wt.％且不为0；
2)将PVDF聚合物倒入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在50℃下加热搅拌，至溶液完全透明；
3)将CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；
4)将熔盐法制备的高分散性BCZT粉末按不同的质量比加入到步骤3)混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；
5)为将溶剂DMF去除，将步骤4)所得混合溶液缓慢倒入去离子水中，并搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出于80℃下经10h烘干；
6)将步骤5)所得干燥样品在20MPa的压力下干压成圆片，再放入平行板模具中，在190℃、20MPa下自然拉伸热压10min，得到压电三相复合材料。
2.按照权利要求1所述的一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料的制备方法，其特征在于，锆钛酸钡钙(BCZT)粉体的粒径范围为800μm～1000μm。
3.按照权利要求1所述的一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料的制备方法，其特征在于，在压电三相复合材料样品上下表面涂覆银电极，硅油中施加直流电场进行极化；极化电压设定为200kV/cm，极化温度为80℃，极化时间为4h。
4.按照权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料。
5.按照权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料得到应用，用于柔性压电能量收集领域。
CN202210191937.6A 2022-02-28 2022-02-28 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法 Active CN114507365B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210191937.6A CN114507365B (zh) 2022-02-28 2022-02-28 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210191937.6A CN114507365B (zh) 2022-02-28 2022-02-28 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114507365A true CN114507365A (zh) 2022-05-17
CN114507365B CN114507365B (zh) 2023-10-17

Family

ID=81554123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210191937.6A Active CN114507365B (zh) 2022-02-28 2022-02-28 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114507365B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI837060B (zh) * 2023-08-25 2024-03-21 智匯達投資有限公司 高表面積導體材料之製備方法及其結構

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102268165A (zh) * 2011-07-04 2011-12-07 海南大学 一种碳纳米管/聚合物导电复合材料的制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102268165A (zh) * 2011-07-04 2011-12-07 海南大学 一种碳纳米管/聚合物导电复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAIRUI BAI ET AL.: "Ultrahigh breakdown strength and energy density of polymer nanocomposite containing surface insulated BCZT@BN nanofbers", 《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
SARRA MISSAOUI ET AL.: "Enhanced piezoelectric performance of lead free BCZT based flexible nanogenerator", 《2021 18TH INTERNATIONAL MULTI-CONFERENCE ON SYSTEMS，SIGNALS&DEVICES》 *
YINGHONG WU ET AL.: "Flexible composite-nanofiber based piezotriboelectric nanogenerators for wearable electronics", 《OURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A》 *
刘关宇: "BCZT/PVDF 复合材料制备与结晶结构表征及其介电性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI837060B (zh) * 2023-08-25 2024-03-21 智匯達投資有限公司 高表面積導體材料之製備方法及其結構

Also Published As

Publication number Publication date
CN114507365B (zh) 2023-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Enhanced performance of piezoelectric composite nanogenerator based on gradient porous PZT ceramic structure for energy harvesting
CN1278436C (zh) 一种锂离子电池碳负极材料的制备方法
CN109860550A (zh) 一种固态锂电池复合正极膜的制备方法
CN114507365B (zh) 一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法
CN105118977B (zh) 具有纳米线三维缠绕结构的v2o5空心微米线球及其制备方法和应用
CN108365184A (zh) 一种锂离子电池用富碳多孔SiOC负极材料及其制备方法
CN109728288B (zh) 硅碳复合材料及其制备方法、锂电池负极及锂电池
CN114044513B (zh) 功率型锂离子电池用煤基石墨/碳复合负极材料的制备方法
CN114057488B (zh) 一种多孔SiOC陶瓷的制备方法及其在锂离子电池负极材料中的应用
CN110365246B (zh) 一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法
CN106699177B (zh) 一种具有高发电特性的无铅压电能量收集材料及其制备方法
CN108832090A (zh) 锂离子电池SiO2/AG复合负极材料及其制备方法
CN106356513B (zh) 一种具有三明治结构的导电聚合物/硫复合正极材料的制备方法
CN109687765B (zh) 一种高性能压电纳米发电机及其制备方法
CN115433420B (zh) 一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机
CN103500654A (zh) 一种氮掺杂石墨烯/pvdf复合介电薄膜及其制备方法
CN114430038B (zh) 一种快充硬碳负极材料及其制备方法和应用
CN107475815B (zh) 一种Sb2S3-C纳米纤维的静电纺丝制备方法
CN112723877B (zh) 一种具有微米内晶型结构的陶瓷-金属无铅压电复合材料及制备方法
CN113257584B (zh) 一种锂离子电容器用硬碳浆料的制备方法
IL275358B2 (en) Active material and electric power generator containing it
CN115594930B (zh) 一种掺杂被修饰的液态金属颗粒的PVDF-TrFE复合膜及制备方法及应用
CN106784695A (zh) 制备碳纳米管/SiC/纳米Si复合材料的方法、该复合材料及锂离子电池
CN112127016A (zh) 一种静电纺丝法合成SiO2@C纳米纤维的制备方法及应用
CN108777234B (zh) 一种活性炭包覆的石墨纤维电极及由其制备的超级电容器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant