RU2610063C1 - Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами - Google Patents
Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610063C1 RU2610063C1 RU2015151425A RU2015151425A RU2610063C1 RU 2610063 C1 RU2610063 C1 RU 2610063C1 RU 2015151425 A RU2015151425 A RU 2015151425A RU 2015151425 A RU2015151425 A RU 2015151425A RU 2610063 C1 RU2610063 C1 RU 2610063C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pvdf
- pabi
- ferroelectric
- piezoceramic
- polymer composites
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
- C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области получения полимерных композитов, в частности композиционных полимерных пьезоэлектриков, используемых в качестве пьезодатчиков, различного рода актюаторов, термостойких покрытий. В порошок пьезокерамики, измельченный в шаровой мельнице, вливают при постоянном перемешивании раствор смеси полимеров ПВДФ и ПАБИ в ДМАА при содержании компонентов, мас.%: пьезокерамика 0,3-1,0, ПВДФ 1,5, ПАБИ 1,5, растворитель - остальное. Нагревают полученную смесь до 60°C и перемешивают в течение 10-15 минут. Пленку композита получают отливкой полученного гомогенного раствора на стеклянную подложку полученного гомогенного раствора и сушкой в вакууме до постоянной массы. Рекомендуемый размер частиц порошка сегнетоэлектрической пьезокерамики - 2-3 мкм. При изготовлении пьезочувствительных элементов пленку композита металлизируют напылением серебра через маску с закраинами. Техническим результатом является разработка способа получения термостойких полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к области получения полимерных композитов, в частности композиционных полимерных пьезоэлектриков, используемых в качестве пьезодатчиков, различного рода актюаторов, термостойких покрытий.
В качестве материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, широко используются керамические пьезоэлектрики, в том числе титанаты свинца, кальция, стронция, титанаты-цирконаты свинца и др. [Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. 1965, т. 4, с. 251]. Они обладают величинами диэлектрической проницаемости до 1100-1500, а их пьезомодуль достигает значения 500 пКл/Н. Однако использовать их для получения гибких и тонкослойных датчиков и изделий конструкционного назначения не представляется возможным из-за хрупкости.
Из полимерных материалов, во многом лишенных вышеуказанного недостатка, пьезоэлектрическими свойствами обладают некоторые термопласты - поливинилхлорид, полиамид-66, полиакрилонитрил, величины пьезомодуля которых укладываются в диапазоне 1,5-4,1 пКл/Н. Наиболее высокое значение пьезомодуля получено на образцах поливинилиденфторида (ПВДФ) с кристаллической β-формой. Высокая спонтанная поляризация ПВДФ и его сополимеров, наряду с образованием полярных нецентросимметричных кристаллитов, приводит к появлению в этих материалах высокой пьезо- и пироактивности [Кочервинский В.В. Сегнетоэлектрические свойства полимеров на основе винилиденфторида // Успехи химии. - 1999. - Т. 68, № 10. - С. 904-942]. Композиционные материалы на основе матрицы из ПВДФ находят широкое применение в изготовлении различного рода актюаторов, пьезодатчиков, способных работать в агрессивных средах. При этом из ПВДФ легко получать тонкие пленки [Дмитриев И.Ю. Электроактивные полимерные системы на основе пористых пленок поливинилиденфторида: Автореф… дис. канд. физ. мат. наук. – СПб.: ИБС РАН, 2007. - 25 с.].
Основным недостатком ПВДФ является его низкая температура стеклования, приводящая к исчезновению пьезосвойств при температуре выше 80°C. Сочетание электрофизических и механических свойств как керамических, так и полимерных материалов неудовлетворительное.
Целью заявляемого изобретения является получение полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами, сочетающих высокие свойства пьезокерамики, высокую способность к переработке и высокую термостойкость полимерной матрицы.
Высокой термостойкостью и прочностными свойствами обладают полимерные композиты с матрицей на основе ароматических полиамидов [Платонова И.В., Сидоров О.В., Татарский С.А. // Физикохимии полимеров. Тверь, 2004. Вып. 10, С. 34]. К таким полимерам относится полиамидбензимидазол (ПАБИ), имеющий температуру стеклования 350°C и использующейся для производства высокопрочных термостойких волокон.
Композиционные материалы на основе матрицы из ПАБИ готовятся методом формования из раствора. В раствор полимера вносится наполнитель, перемешивается, после чего полимер выливается равномерным слоем в форму и просушивается до постоянной массы. Электретные свойства композитов зависят только от природы наполнителя, т.к сам полимер является диэлектриком и используется в качестве термостойкой матрицы.
В заявляемом изобретении для повышения термостойкости полимерной матрицы с сохранением высокого значения пьезомодуля для ПВДФ β-формы предложена полимерная матрица из смеси ПВДФ и ПАБИ. При этом формование композита из смесевой матрицы (ПВДФ+ПАБИ) осуществляется в общем растворителе диметилацетамиде (ДМАА).
Заявляемое изобретение иллюстрируется Фиг. 1 и Таблицей 1.
Фиг. 1. Дериватограммы образцов: ПВДФ+ПАБИ массового соотношения 1:1 (а), ПВДФ+ПАБИ+НЦТС-1 массового соотношения 1,0:1,0:0,3 (б).
Таблица 1. Значение диэлектрической проницаемости пленки композиционного материала на основе полимерных матриц ПВДФ и ПВДФ+ПАБИ и порошка керамической пьезокерамики с массовым соотношением 1,0:1,0:0,1-0,3.
На Фиг. 1 представлены результаты термогравиметрического анализа (ТГА) пленочных образцов, полученных из полимеров ПВДФ и ПАБИ.
Проведенный термический анализ показал Фиг. 1, что у пленок на основе смеси ПВДФ+ПАБИ и композиции ПВДФ+ПАБИ+НЦТС-1 заметная потеря массы происходит при 400°C. Это подтверждает получение полимерной матрицы с высокой термической стойкостью.
Значения диэлектрической проницаемости пленки композиционного материала на основе полимерных матриц ПВДФ и ПВДФ+ПАБИ и порошка керамической пьезокерамики с массовым соотношением 1,0:1,0:0,1-0,3 иллюстрируются Таблицей 1. Данные, содержащиеся в таблице, подтверждают высокие значения сегнетоэлектрических характеристик композитов, полученных согласно заявляемому способу.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения термостойких полимерных сегнетоэлектрических композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами на основе пьезокерамики, например НЦТС-1 и полимерной матрицы из смеси ПВДФ+ПАБИ.
Заявляемый технический результат достигается за счет использования в способе получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами пьезополимерной композиции, содержащей порошкообразную сегнетоэлектрическую пьезокерамику фракции 2-3 мкм, раствор смеси полимера ПВДФ+ПАБИ в диметилацетамиде (ДМАА), при следующем содержании компонентов, мас.%: пьезокерамика 0,3-1,0; ПВДФ около 1,5, ПАБИ около 1,5; растворитель – остальное, а также созданием пленок отливкой на стеклянную подложку полученной композиции с последующей сушкой в вакууме, промыванием в воде, сушкой и дальнейшими термообработкой и поляризацией. На полученную пленку толщиной 30-50 мкм наносят электроды напылением серебра через маску с закраинами.
Экспериментально установленное оптимальное соотношение полимеров ПВДФ/ПАБИ составило 1/1. При увеличении содержания ПАБИ ухудшается смешиваемость полимеров, а при уменьшении происходит существенное снижение механических свойств и термостойкости полимерной матрицы. Оптимальный размер частиц пьезокерамики для включения в пьезополимерную композицию составил 2-3 мкм, что соответствует размещению и агрегации частиц пьезокерамики внутри пор полимерной матрицы. При увеличении размера частиц пьезокерамики выше 3 мкм наблюдалась агрегация частиц пьезокерамики вне пор полимерной матрицы, что препятствовало равномерному распределению частиц в объеме композиции. Получение частиц пьезокерамики размером менее 2 мкм проводит к дополнительным энергетическим и временным потерям без улучшения свойств композиции.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Порошок пьезокерамики НЦТС-1 измельчают в шаровой мельнице до размера 2-3 мкм. В полученный порошок при постоянном перемешивании вводят раствор смеси полимеров ПВДФ и ПАБИ в ДМАА так, что содержание компонентов, мас %: пьезокерамика 0,3%; ПВДФ 1,5%; ПАБИ 1,5%; растворитель - остальное. Полученную смесь нагревают до 80°C и перемешивают в течение 10-15 минут. Гомогенный раствор выливают тонким слоем на стекло и помещают в сушильный шкаф, где выдерживают в течение 1,5-2,0 часов при температуре 140°C до постоянной массы пленки. Полученную пленку толщиной 30-50 мкм металлизируют напылением серебра через маску с закраинами.
Полимерные композиты с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами, полученные заявляемым способом, найдут применение в электротехнике, микроэлектронике, авиа- и ракетостроении, из них возможно изготовление термостойких покрытий, пьезодатчиков, различного рода актюаторов.
Изделия обладают высокой деформируемостью и гибкостью, высокими сегнетоэлектрическими свойствами и пьезочувствительностью.
Изобретение позволяет повысить прочность материала, расширить диапазон рабочих температур и рабочих частот.
Claims (3)
1. Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами, включающий измельчение пьезокерамики в шаровой мельнице; введение, при постоянном перемешивании, в полученный порошок сегнетоэлектрической пьезокерамики раствора смеси полимеров ПВДФ и ПАБИ в ДМАА при содержании компонентов, мас.%: пьезокерамика 0,3-1,0, ПВДФ 1,5, ПАБИ 1,5, растворитель - остальное; нагрев полученной смеси до 80°C; перемешивание в течение 10-15 минут; отливку на стеклянную подложку полученного гомогенного раствора; сушку в вакууме с получением пленки композита.
2. Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами по п. 1, отличающийся тем, что порошковая сегнетоэлектрическая пьезокерамика имеет размер частиц 2-3 мкм.
3. Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами по п. 2, отличающийся тем, что пленку композита металлизируют напылением серебра через маску с закраинами.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151425A RU2610063C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151425A RU2610063C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2610063C1 true RU2610063C1 (ru) | 2017-02-07 |
Family
ID=58457822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015151425A RU2610063C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2610063C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670224C1 (ru) * | 2017-12-21 | 2018-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ изготовления композиционной керамополимерной плёнки и композиционная керамополимерная плёнка |
RU2693205C1 (ru) * | 2018-07-17 | 2019-07-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ изготовления гибкого композиционного пьезоматериала и шихта для его реализации |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03133300A (ja) * | 1989-10-19 | 1991-06-06 | Fuji Electric Co Ltd | 複合圧電型超音波探触子 |
US5505870A (en) * | 1994-04-20 | 1996-04-09 | Korea Institute Of Science And Technology | Piezoelectric ceramic-polymer composite material and method for preparing the same |
-
2015
- 2015-12-01 RU RU2015151425A patent/RU2610063C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03133300A (ja) * | 1989-10-19 | 1991-06-06 | Fuji Electric Co Ltd | 複合圧電型超音波探触子 |
US5505870A (en) * | 1994-04-20 | 1996-04-09 | Korea Institute Of Science And Technology | Piezoelectric ceramic-polymer composite material and method for preparing the same |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
А.Ю. Данилов et al, ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ ИЗ СМЕСИ ПОЛИМЕРОВ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА И ПОЛИАМИДБЕНЗИМИДАЗОЛА, ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК N 3, 137-141, 2009. A.Y. Danilov et al, STUDY OF MORPHOLOGY AND PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON MATRIX FROM POLYVINYLIDENE FLUORIDE AND POLYAMIDEBENZIMIDAZOLE, 127-128, Symposium on Composite Materials, Saint Petersburg, RUSSIA, 13.07.2012 * |
А.Ю. Данилов et al, ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ ИЗ СМЕСИ ПОЛИМЕРОВ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА И ПОЛИАМИДБЕНЗИМИДАЗОЛА, ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК N 3, 137-141, 2009. A.Y. Danilov et al, STUDY OF MORPHOLOGY AND PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON MATRIX FROM POLYVINYLIDENE FLUORIDE AND POLYAMIDEBENZIMIDAZOLE, 127-128, Symposium on Composite Materials, Saint Petersburg, RUSSIA, 13.07.2012 . * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670224C1 (ru) * | 2017-12-21 | 2018-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ изготовления композиционной керамополимерной плёнки и композиционная керамополимерная плёнка |
RU2693205C1 (ru) * | 2018-07-17 | 2019-07-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ изготовления гибкого композиционного пьезоматериала и шихта для его реализации |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yang et al. | Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites | |
RU2610063C1 (ru) | Способ получения полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами | |
CN107531509A (zh) | 用于结构化复合材料增强的压电性能的形状受控的陶瓷填料 | |
CN104629358B (zh) | 一种尼龙1111/聚偏氟乙烯铁电复合薄膜及其制备方法 | |
Rianyoi et al. | Poling effects and piezoelectric properties of PVDF-modified 0–3 connectivity cement-based/lead-free 0.94 (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 3–0.06 BaTiO 3 piezoelectric ceramic composites | |
Qi et al. | Investigation on FT-IR spectra and dielectric property of PVDF/inorganic composites | |
WO2020201922A1 (en) | Flexible and low cost lead-free piezoelectric composites with high d33 values | |
Zhang et al. | Preparation and property enhancement of poly (Vinylidene Fluoride)(PVDF)/lead zirconate titanate (PZT) composite piezoelectric films | |
Abdullah et al. | Enhancement piezoelectricity in poly (vinylidene fluoride) by filler piezoceramics lead-free potassium sodium niobate (KNN) | |
Khanbareh et al. | Functionally graded ferroelectric polyetherimide composites for high temperature sensing | |
KR102651023B1 (ko) | 압전막 및 이의 제조방법 | |
JP5795976B2 (ja) | 被コーティング物の表面に高圧電率の圧電性樹脂膜を形成する方法 | |
Siponkoski et al. | High performance piezoelectric composite fabricated at ultra low temperature | |
WO2020202006A1 (en) | Lead-free piezo composites and methods of making thereof | |
Peng et al. | Effects of PNN/PZT ratios on phase structure, electric properties and relaxation behavior of PZN–PNN–PZT ceramics | |
CN113490709A (zh) | 压电组合物及其用途 | |
US20230141847A1 (en) | Lead-free three-component piezoelectric polymer composite | |
Fang et al. | Preparation and Characterization of Large-Area and Flexible Lead Zirconate Titanate/Polyvinyl-Butyral/Additives Composite Films for Piezoelectric Sensor Application. | |
Halder et al. | Copper ion doped mullite composite in poly (vinylidene fluoride) matrix: effect on microstructure, phase behavior and electrical properties | |
Starzonek et al. | Polymer matrix ferroelectric composites under pressure: Negative electric capacitance and glassy dynamics | |
RU2623693C2 (ru) | Способ получения композиционного пьезоматериала | |
CN104151586B (zh) | 一种介电复合薄膜 | |
Zhang et al. | Property enhancement in flexible poly (vinylidene fluoride)‐based piezoelectric films with large‐area preparation | |
Yang et al. | The preparation and dielectric properties of BT/PANI/PVDF composite | |
RU2207356C2 (ru) | Пьезополимерная композиция и изделие, выполненное из неё |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181202 |