专利名称：压电陶瓷与聚合物压电复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于压电陶瓷与聚合物压电复合材料的制备方法，特别涉及高含量的压电陶瓷与聚合物复合材料的制备方法。
背景技术：
压电复合材料是一种由压电陶瓷和聚合物通过复合工艺而构成的新型材料，通过复合效应使其具有原组分材料所不具备的性能。近二十年以来，压电复合材料通过对压电复合材料的性能优化设计，充分利用复合材料的线性和非线性的效应，获得了兼有陶瓷和聚合物两者的优点，所得复合材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，声阻抗小，容易与空气、水和皮肤相容，且其压电性能和机电耦合系数明显高于相应的聚合物，并能抑制压电陶瓷材料自身的脆性和压电聚合物材料温度的局限性，性能优良。现有的制备方法主要有流延法、热压法以及旋涂法等，但这些方法都存在着聚合物和压电陶瓷之间界面结合差的问题，从而影响了复合材料的性能。
目前，通常采用加入适量的偶联剂对压电陶瓷表面进行修饰的方法来改善两相界面，以获得较好的性能。但通常所选用的偶联剂大多是针对无机粒子，通过降低其表面的极性，促进其与聚合物的结合，但在剪切力存在的复合工艺条件下，偶联剂很难发挥作用，因此很难获得所期望的复合材料。众所周知，制备方法是材料的基础，相同的组分，不同的制备方法，其材料性能的差异很大。因此有必要对材料的制备方法进行研究。
微波合成方法是近年来发展起来的一种新型的合成方法，该工艺可显著地改善两相界面问题而对材料本体没有影响。但目前尚没有见到利用微波法制备压电复合材料的报道。
发明内容
本发明提供一种压电陶瓷与聚合物压电复合材料的微波制备方法，该方法可解决复合材料两相界面结合差的问题。
本发明机理微波加热方式与传统的加热方式不同，微波加热时样品中的温度梯度是逆向的。热量不是经过材料表面向内部传导或对流传递的，而是加热的热量产生于材料内部，使物质从里到外自身发热，然后透过材料表面向周围空间散发。在微波辐照下，两相界面的温度比材料整体高，在相同的条件下，微波辐照引起的物理作用增强了两相之间的相互作用，使界面结合好。
本发明采用以下的技术方案实现一种压电陶瓷与聚合物压电复合材料的制备方法，其步骤为1)把所需的压电陶瓷片粉碎或淬火后过筛；2)将步骤1)得到的陶瓷粉末和热塑性聚合物为按100∶30～55体积比加入混合设备中混合均匀，混合料烘干后备用；3)将步骤2)得到的混合料按照聚合物成型的方法在模具中压制成型，将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45～24.125GHz，较佳微波频率为2.45GHz，辐照功率为125～1500W，较佳辐照功率为700～1200W，辐照时间为3～120分钟，较佳辐照时间为5～30分钟，即制得压电陶瓷与聚合物压电复合材料。
适用于本发明的压电陶瓷为目前应用最广泛的钛锆酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)、性能更为优良的三元系压电陶瓷PCM(PZT中加入Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)、PMS(PZT加入Pb(Mn1/3Sb2/3)O3)，以及无铅压电陶瓷K1-xNaxNbO3(分子式中0.1＜x＜1。
适用于本发明的聚合物为热塑性聚合物如结晶度较高的共聚物聚乙烯PE、半结晶共聚物聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物如偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)和偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物P(VDF-TeFE)，以及结晶度较低的聚氯乙烯PVC。
图1是钛锆酸铅与聚偏氟乙烯(PZT/PVDF)压电复合材料采用本微波制备工艺的断面显微结构图。从图中可以看出微波工艺合成的复合材料界面模糊，基本看不到两相的界面，说明两相之间相互作用显著增强。
具体实施例方式实施例1按体积比将70％的PZT和30％PVDF粉末混合，以无水乙醇为球磨介质球磨8小时。混合料烘干后在模具中压制成型，再将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45GHz，辐照功率为800W，辐照功率为辐照时间为10分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当PZT体积含量为70％时，复合材料的介电常数为105，压电常数为52pC/N。复合材料的界面结合好，有利于压电陶瓷的极化，提高复合材料的电性能。
实施例2按体积比将50％的P(VDF-TrFE)和50％PT粉末混合，加无水乙醇湿法碾磨均匀、烘干后在模具中压制成型，再将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45GHz，辐照功率为900W，辐照时间为10分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当PT体积含量为50％时，复合材料的介电常数为61，压电常数为30pC/N。
实施例3按体积比将70％的PE和30％PCM粉末混合，烘干后在自制的模具中压制成型，采用VW1500型变频微波仪对压制好的混合料进行微波辐照，微波频率为6～18GHz，辐照功率为125W，辐照时间为120分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当PCM体积含量为50％时，复合材料的介电常数为34，压电常数为19pC/N。
实施例4选用PVC为基体，K1-xNaxNbO3为原料，将两粉料按20∶80体积比搅拌混合、烘干后在模具中压制成型，再将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为24.125GHz，辐照功率为400W，辐照时间为5分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当K1-xNaxNbO3体积含量为50％时，复合材料的介电常数为45，压电常数为25pC/N。
实施例5按体积比将70％的P(VDF-TeFE)和30％PMS粉末混合，烘干后在模具中压制成型，再将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45GHz，辐照功率为1500W，辐照时间为20分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当PMS体积含量为30％时，复合材料的介电常数为59，压电常数为24pC/N。
实施例6选用PVDF为基体，粒度范围在100目～140目钛锆酸铅(PZT)粉料为原料，以无水乙醇为球磨介质将两粉料搅拌混合、烘干后在模具中压制成型，再将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45GHz，辐照时间为5分钟，制得压电陶瓷-聚合物复合材料。在常温和1KHz下进行测试，当PZT体积含量为70％时，复合材料的介电常数为150，压电常数为65pC/N。
权利要求
1.一种压电陶瓷与聚合物压电复合材料的制备方法，其特征是步骤为1)把所需的压电陶瓷片粉碎或淬火后过筛；2)将步骤1)得到的陶瓷粉末和热塑性聚合物为按100∶30～55体积比加入混合设备中混合均匀，混合料烘干后备用；3)将步骤2)得到的混合料按照聚合物成型的方法在模具中压制成型，将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45～24.125GHz，辐照功率为125～1500W，辐照时间为3～120分钟，制得压电陶瓷与聚合物压电复合材料；所述的压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、三元系压电陶瓷锆钛酸铅中加入Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和锆钛酸铅中加入Pb(Mn1/3Sb2/3)O3，以及无铅压电陶瓷K1-xNaxNbO3，分子式中0.1＜x＜1。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的热塑性聚合物为聚乙烯，聚偏氟乙烯，偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物和聚氯乙烯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的压电陶瓷为钛酸铅，锆钛酸铅和K1-xNaxNbO3，分子式中0.1＜x＜1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是微波频率为2.45GHz，辐照功率为700～1200W，辐照时间为5～30分钟。
全文摘要
一种压电陶瓷与聚合物压电复合材料的制备方法，该方法把所需的压电陶瓷片粉碎或淬火后过筛，将得到的陶瓷粉末和热塑性聚合物按100∶30～55体积比加入到混合设备中混合均匀，烘干后，按照聚合物成型的方法在模具中压制成型，然后将压制好的混合料连同模具一起进行微波辐照，微波频率为2.45～24.125GHz，辐照功率为125～1500W，辐照时间为3～120分钟，即制得压电陶瓷与聚合物压电复合材料。在常温和1KHz下进行测试，其复合材料的介电常数为150，压电常数为65pC/N。
文档编号H01L41/18GK1587206SQ20041006068
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者熊传溪, 刘晓芳, 孙华君, 董丽杰 申请人:武汉理工大学