CN110444659B - 一种具有优异极化性能的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，且公开了一种具有优异极化性能的0‑3型压电复合材料，包括以下重量份数配比的原料：40～45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、40～45份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5～7份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)粉、8～10份的具有离域π电子共轭体系的导电聚合物；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，难以制备得到具有优异极化性能的0‑3型压电复合材料的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及0-3型压电复合材料制备技术领域，具体为一种具有优异极化性能的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：如何提高0-3型压电复合材料的极化性能。由于复合材料中两相材料的电学性能相差太大，使得体系中压电陶瓷相的极化非常困难，得不到高性能的复合体系。提高聚合物的介电常数和电导率是提高复合材料极化的有效途径。而作为压电复合材料基体的聚合物介电常数和电导率都不高。目前极化性能较理想的聚合物基体是PVDF及其共聚物，相对于其它聚合物，这两种聚合物具有高的介电常数。实际应用中，综合电学性能好的聚合物基体并不容易得到。另一种方法是降低压电陶瓷颗粒的介电常数，但这一行为往往降低了陶瓷的压电活性。因此可以看出，要找到极化性能较高的复合材料体系比较困难。为了提高复合材料的极化，可以在体系中加入适量导电相来改善复合材料的性能。然而，添加导电相来提高聚合物介电常数时，往往会遇到聚合物电导率大幅度上升，以至在陶瓷的极化温度附近超过了陶瓷的电导率的现象。这对复合材料的极化时不利的。因此，导电相在聚合物中的用量不能太高，这样使得聚合物的介电常数也不太高。通过改变导电相在聚合物中状态可以提高介电常数，相对降低电导率。使导电颗粒高度分散在聚合物基体中，或使导电相连接在聚合物链段中有利于提高介电常数而降低电导率。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有优异极化性能的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，难以制备得到具有优异极化性能的0-3型压电复合材料的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有优异极化性能的0-3型压电复合材料，包括以下重量份数配比的原料：40～45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、40～45份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5～7份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)粉、8～10份的具有离域π电子共轭体系的导电聚合物；
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，所述导电聚合物为平均粒径38um的聚苯胺(PANI)粉。
优选的，所述导电聚合物为聚吡咯(PPy)。
优选的，所述导电聚合物为平均粒径38um的聚噻吩(PTh)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：
本发明通过引入电学性能非常优异、且与基体材料聚偏氟乙烯(PVDF)粉相容性极好的具有离域π电子共轭体系的导电聚合物，来提高基体材料聚偏氟乙烯(PVDF)粉的电学性能，再与功能增强相锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒进行复合，得到压电常数d33为34～38pC/N、介电损耗tanδ为0.014～0.015、介电常数εr为202～213、电导率σ为10-6S/m的具有优异极化性能的0-3型压电复合材料。
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；
聚乙烯醇(PVA1799)粉，平均粒径10um；
聚苯胺(PANI)粉，平均粒径38um；
聚吡咯(PPy)，液态；
聚噻吩(PTh)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、40份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、5份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)粉、10份的平均粒径38um的聚苯胺(PANI)粉；
步骤一：将45份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、5份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)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10份的平均粒径38um的聚苯胺(PANI)粉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40份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉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，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：40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、7份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)粉、8份的聚吡咯(PPy)；
步骤一：将40份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、7份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)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8份的聚吡咯(PPy)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45份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉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，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：42.5份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、42.5份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉、3份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)粉、12份的平均粒径38um的聚噻吩(PTh)粉；
步骤一：将42.5份的平均粒径3um的锆钛酸铅(PZT)陶瓷颗粒、3份的平均粒径10um的聚乙烯醇(PVA1799)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12份的平均粒径38um的聚噻吩(PTh)粉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42.5份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯(PVDF)粉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，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
Claims (1)
1.一种具有优异极化性能的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：
42.5份的平均粒径3um的锆钛酸铅（PZT）陶瓷颗粒、42.5份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯（PVDF）粉、3份的平均粒径10um的聚乙烯醇（PVA1799）粉、12份的平均粒径38um的聚噻吩（PTh）粉；
0-3型压电复合材料为：压电常数d33为38pC/N、介电损耗tanδ为0.015、介电常数εr为213、电导率σ为10-6S/m的0-3型压电复合材料；
所述0-3型压电复合材料采用下述方法制造：
步骤一：将42.5份的平均粒径3um的锆钛酸铅（PZT）陶瓷颗粒、3份的平均粒径10um的聚乙烯醇（PVA1799）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12份的平均粒径38um的聚噻吩（PTh）粉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42.5份的平均粒径38um的聚偏氟乙烯（PVDF）粉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，每球磨30min间歇20min，得到三次球磨产物；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Effective date of registration: 20230821 Address after: No.6 Longxiang Road, Longhu Industrial Park, Huaibei Economic Development Zone, Anhui Province 235000 Applicant after: ANHUI SIHUI CABLE Co.,Ltd. Address before: No. 57, Fanshi Village, Gugang Town, Liuyang City, Changsha City, Hunan Province, 410300 Applicant before: Cai Zuolin |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A 0-3 type piezoelectric composite material with excellent polarization performance Granted publication date: 20230926 Pledgee: Huaibei Branch of China Postal Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: ANHUI SIHUI CABLE Co.,Ltd. Registration number: Y2024980003282 |
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