一种路用压电复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于路用材料的研究技术领域，具体涉及一种路用压电陶瓷/聚合物的复 合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国社会经济发展，能源消耗越来越大。传统能源已出现短缺，这加速了人们 对可再生能源、绿色能源的重视与研究，尤其是关于电能的采集和利用。众所周知，各种交 通工具在行驶过程中会产生大量的机械能，如果将这部分机械能转换为人类可利用的电 能，一方面可以带来巨大的经济效益和环境效益。这种产生电能的方式是环保清洁的，同时 减小对能源的损耗;另一方面可以减小路面的振动和变形，减少路面结构损伤等，具有非常 广阔的应用前景。
[0003] 压电材料的研究与应用对于路面的机械能回收技术起着至关重要的作用，目前国 内外的研究主要集中在压电材料的电能收集方面，而对适于道路发电技术的压电材料制备 寥寥无几。在进行道路能源收集时，由于路面收到低频、高应力的车辆荷载作用，且长时间 处于恶劣的自然环境当中，压电材料不仅要具有较好的压电性能、介电性能及压电耦合性 能，还应具有高的抵抗环境破坏作用的能力，因此，压电材料的耐久性和压电性能在道路环 境中的应用均发挥着重要作用，两者缺一不可。
[0004] 传统的压电陶瓷的压电性能和介电性能非常好，但其硬而脆的特性使它的成型较 为困难，并且抗交通荷载冲击性能较差，在动态交通荷载作用下很容易发生疲劳裂纹，产生 脆性断裂。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有压电材料在路用性能方面的不足，本发明提供了一种压电性能高， 同时又能抵抗车辆荷载反复作用、力学性能优良的路用压电复合材料。
[0006] 同时本发明还提供了上述路用压电复合材料的制备方法。
[0007] 本发明实现上述目的所采用的技术方案是：
[0008] 该路用压电复合材料，包括压电陶瓷和聚偏氟乙烯，还包括钛酸酯偶联剂和黑炭 黑，各原料的质量份配比为：
[0009] 压电陶瓷 1份 聚偏氟乙烯 0.24份
[0010] 钛酸酯偶联剂 0.2~0.3份 黑炭黑 0.4U份。
[0011] 各原料的质量份配比优选为： 压电陶瓷 1份 聚偏氟乙烯 0.24份
[0012] 钛酸酯偶联剂 0.25份 黑炭黑 0.6汾。
[0013] 上述的路用压电复合材料的制备方法，由以下步骤组成：
[0014] (1)按照质量配比称取压电陶瓷、聚偏氟乙烯、钛酸酯偶联剂以及黑炭黑，混匀，研 磨至粉末状，加入无水乙醇至完全溶解，搅拌至混合均匀后碾磨并压制成直径13± 1mm、厚 度1 ± 0.2mm的片状试样，烘箱中80~120°C下干燥11~13分钟，备用；
[0015] (2)将步骤（1)的配料放入热压模具中热压成型，使热压压强达到23~27MPa，加热 至160~200°C后保温20~40min，保压20~40min，取出试样；
[0016] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0017] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至80~120°C，在试样两端施加高压直 流电场，极化场强为3~5kV/mm，极化时间为30~40miη，使试样内部电畴沿电场方向排列有 序，即得到路用压电复合材料。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 1、本发明在原有的压电陶瓷(错钛酸铅)ΡΖΤ/聚偏氟乙烯PVDF基础上添加了适量 的钛酸酯偶联剂，从而改善了复合材料的两相界面状态，提升复合材料的介电性能和力学 性能。
[0020] 2、本发明将导电黑炭黑作为掺杂相与钛酸酯偶联剂产生配合，产生协同效果，促 进复合材料能够在较低电场强度下极化，并且增加了陶瓷相中具有压电功能相四方相(002 晶面和200晶面)的数量，极化程度增强，提高材料的介电性能和力学性能。
[0021] 3、将本发明的各原料通过热压法压制，大大提高了复合材料的结晶度，材料的力 学性能提高(韧性增强），同时也提高了压电材料两相界面能，从而促进了材料的极化过程， 此外，通过高压直流电场极化，大大提高材料的路用压电性能。
[0022] 本发明工艺简单，成本低廉，可制备出综合性能优异的路用压电复合材料，可制备 大尺寸压电复合薄膜，有望应用于隧道、收费站减速带、桥头跳车路段等，实现产业化生产。
【附图说明】
[0023] 图1为对比例1的XRD图。
[0024] 图2为实施例1和对比例2的XRD对比图。
[0025] 图3为实施例1的SEM图谱。
[0026] 图4为对比例1的SEM图谱。
[0027] 图5为对比例2的SEM图谱。
【具体实施方式】
[0028] 现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于 下述的实施方式。
[0029] 实施例1
[0030]现以lOOgPZT-5H压电陶瓷为基料，制备本发明的路用压电复合材料所用各原料 及配比如下： 压电陶瓷 10Qg 聚偏氟乙烯 24g
[0031] 钛酸酯偶联剂 25g 黑炭黑 60g。
[0032] 本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的熔点Tm= 167°C，密度P为1.75~1.78g/cm3，聚 偏氟乙烯的数均分子量是825000,黑炭黑的型号为N570。
[0033]制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：
[0034] (1)按照质量配比称取压电陶瓷、聚偏氟乙烯、钛酸酯偶联剂以及黑炭黑，混匀，研 磨至粉末状，加入无水乙醇至完全溶解，搅拌至混合均匀后碾磨并压制成直径13± 1mm、厚 度1 ± 0 · 2mm的片状试样，烘箱中1QQ°C下干燥12分钟，备用；
[0035] (2)将步骤（1)的配料放入热压模具中热压成型，使热压压强达到25MPa，加热至 180°C后保温30min，保压30min，取出试样；
[0036] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0037] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至100°C，在试样两端施加高压直流电 场，极化场强为4kV/mm，极化时间为35min，使试样内部电畴沿电场方向排列有序，即得到路 用压电复合材料。
[0038] 实施例2
[0039]现以100gPZT-5H压电陶瓷为基料，制备本发明的路用压电复合材料所用各原料 及配比如下： 压电陶瓷 100g 聚偏氟乙烯 24g
[0040] 钛酸酯偶联剂 25g 黑炭黑 50g
[00411本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的密度P=1.75g/cm3,恪点Tm=167°C，数均分子 量是825000,黑炭黑的型号为N234。
[0042]制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：
[0043] (1)按照质量配比称取压电陶瓷、聚偏氟乙烯、钛酸酯偶联剂以及黑炭黑，混匀，研 磨至粉末状，加入无水乙醇至完全溶解，搅拌至混合均匀后碾磨并压制成直径13± 1mm、厚 度1±0.2mm的片状试样，烘箱中80°C下干燥13分钟，备用；
[0044] (2)将步骤（1)的配料放入热压模具中热压成型，使热压压强达到23MPa，加热至 160°C后保温40min，保压40min，取出试样；
[0045] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0046] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至80°C，在试样两端施加高压直流电 场，极化场强为3kV/mm，极化时间为40min，使试样内部电畴沿电场方向排列有序，即得到路 用压电复合材料。
[0047]实施例3
[0048]现以100gPZT-5H压电陶瓷为基料，制备本发明的路用压电复合材料所用各原料 及配比如下： 压电陶瓷 100g 聚偏氟乙烯 24g
[0049] 钛酸酯偶联剂 25g 黑炭黑 40g
[0050] 本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的数均分子量是825000，密度P= 1.76g/cm3，熔 点Tm=167°C。黑炭黑的型号为N326。
[0051]制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：
[0052] (1)按照质量配比称取压电陶瓷、聚偏氟乙烯、钛酸酯偶联剂以及黑炭黑，混匀，研 磨至粉末状，加入无水乙醇至完全溶解，搅拌至混合均匀后碾磨并压制成直径13± 1mm、厚 度l±0.2mm的片状试样，烘箱中120°C下干燥11分钟，备用；
[0053] (2)将步骤（1)的配料放入热压模具中热压成型，使热压压强达到27MPa，加热至 200°C后保温20min，保压20min，取出试样；
[0054] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0055] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至120°C，在试样两端施加高压直流电 场，极化场强为5kV/mm，极化时间为30min，使试样内部电畴沿电场方向排列有序，即得到路 用压电复合材料。
[0056]实施例4
[0057]