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 聚偏氟乙燦 24g
[0058] 钛酸酯偶联剂 20g 黑炭黑 80g
[0059]本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的数均分子量是825000，密度P=1.78g/cm3，熔 点Tm=167°C。黑炭黑的型号为N339。
[0060]制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：
[0061] (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±0.2_的片状试样，烘箱中110°C下干燥11分钟，备用；
[0062] (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24MPa，加热至 190°C后保温25min，保压25min，取出试样；
[0063] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0064] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至110°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32min，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。
[0065] 实施例5
[0066]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 聚偏氟乙燦 24g
[0067] 钛酸酯偶联剂 30g 黑炭黑 70g
[0068] 本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的数均分子量是825000，密度P= 1.77g/cm3，熔 点Tm=167°C，黑炭黑的型号为N570。
[0069]制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：
[0070] (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90°C下干燥12分钟，备用；
[0071] (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26MPa，加热至 170°C后保温35min，保压35min，取出试样；
[0072] (3)采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银；
[0073] (4)将镀银后的试样置于恒温油浴锅中加热至90°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38min，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。
[0074]上述实施例1~5中所用的原料黑炭黑还可以用其他的型号来替换，只要是导电炭 黑均可。
[0075]为了验证本发明的技术效果，申请人通过大量的实验进行验证或检测，并与对比 例1、对比例2进行对比，具体测试结果如下：
[0076]对比例1的压电材料是由压电陶瓷100g和聚偏氟乙烯24g按照实施例1的方法制 得；
[0077]对比例2的压电材料是由压电陶瓷100g、聚偏氟乙烯24g和钛酸酯偶联剂25g按照 实施例1的方法制得。
[0078] 1、电学性能
[0079]采用HP4294A阻抗分析仪在测试频率为1kHz下，测定了各实施例以及对比例的压 电复合材料的电容C、介电损耗tanS;采用d33准静态仪测试了各实施例和对比例的压电复合 材料的压电性能进行测试，具体结果如下：
[0080] 表1为各实施例和对比例的压电性能指标
[0081]
[0082] 由上述表1可以看出，对比例2与对比例1试验结果说明，在PZT-PVDF压电复合材料 中加入偶联剂可以改善其压电性能，虽然介电损耗和相对介电常数有所上升，但其关键指 标d33和g33均有所增加;本发明实施例数据与对比例1和对比例2的数据对比说明，掺入导电 元素（黑炭黑）和偶联剂可以明显提升其压电性能，其中d33和g33值较对比例1、2有明显的提 升。
[0083] 2、XRD实验
[0084]采用XRD测试方法对实施例1和对比例1和2所制得的路用压电复合材料的微观结 构进行扫描，具体如图1和2所示。
[0085] 由图1和2可以看出，对比例1和对比例2的衍射峰说明了，偶联剂可以增加压电陶 瓷四方相含量，从而有效改善压电复合材料的电性能;通过图2(实例1)的主界面衍射峰，可 以看出掺杂导电元素（导电黑炭黑）和偶联剂可以明显增加压电复合材料的陶瓷相中具有 压电功能相(002晶面和200晶面），优化陶瓷相（110)的分散程度，从而改善了压电复合材料 的电性能。
[0086] 3、SEM实验
[0087]采用扫描电镜对实施例1和对比例1和2的形貌用扫描电镜进行观测，所得SEM图分 别如图3、4和5所示，图3是实施例1的SEM图，图4和图5分别是对比例1和2的SEM图。
[0088] 图3与图4、5对比可知，从结构紧密，粒径尺寸以及分散程度来看，图3的粒径分布 相对均匀，而且结构紧密，说明在原有PZT-PVDF压电复合材料中，掺杂一定量的偶联剂和导 电元素(黑炭黑)可以有效改善其微观结构，使其结构更加紧凑，颗粒之间间距减少，界面状 态得到优化，从而达到提升压电复合材料的力学和电学性能的目的。
[0089] 4、力学性能
[0090] 采用微机控制电子式万能试验机对实施例1和对比例1、2所得压电材料试样进行 单轴压缩试验，测试路用压电复合材料的抗压强度，考虑到货车轮胎的标准静内压力一般 在0.4~0.7MPa，取压电片的直径为13mm，截面积为132 · 665mm2,采用万能试验机施加10kN 的轴向压力，此时是远大于路面中的〇.7MPa，通过试件的变形量来评价其承受变形的能力， 结果如表2所示。
[0091]表2各试样的变形量
[0093]由表4结果表明：实施例1与对比例1和2相比，变形量最小，抗变形能力最好。
[0094]用上述相同的实验方法对其他的实施例也进行检测，结果与实施例1的结果接近， 在此未 详述。
[0095]综上，从上述实验结构可以看出，偶联剂处理过后，复合材料的缺陷大大减小，PZT颗粒在PVDF基体中的分散性大大提尚，两相之间粘结力提尚，形成一体；同时减小了材料内 部的孔隙，从而提升了复合材料的力学性能，而且掺杂了导电黑炭黑后，进一步能够有效减 小粒径大小，使粒径更均匀，同时改善了复合材料的界面状态，提高了试件的抗压性能，其 中铁粉的硬度要远大于试件中其他物质的硬度，而导电黑炭黑使得压电复合材料结构更密 致紧凑，大大降低了材料本体内部的孔隙，从而增加了压电复合材料的抗变形能力。
【主权项】
1. 一种路用压电复合材料，包括压电陶瓷和聚偏氟乙烯，其特征在于:还包括钛酸酯偶 联剂和黑炭黑，各原料的质量份配比为： 压电陶瓷 1份 聚偏氟乙烯 0.24份 钛酸酯偶联剂 0.2~0.3份 黑炭黑 0.4~0.8份。2. 根据权利要求1所述的路用压电复合材料，其特征在于各原料的质量份配比为： 压电陶瓷 1份 聚偏氟乙烯 0.24份 钛酸酯偶联剂 0.25份 黑炭黑 0.6份。3. -种权利要求1所述的路用压电复合材料的制备方法，其特征在于由以下步骤组成： (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±lmm、厚度1 土 0.2mm的片状试样，烘箱中80~120°C下干燥11~13分钟，备用； (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； (3) 采用常规涂覆免烧银浆的方法在试样表面镀银； (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30~40min，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。
【专利摘要】本发明涉及的一种路用压电复合材料及其制备方法，其是由压电陶瓷和聚偏氟乙烯以及钛酸酯偶联剂和黑炭黑，压电陶瓷1份，聚偏氟乙烯0.24份，钛酸酯偶联剂0.2～0.3份，黑炭黑0.4～0.8份，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，大大提高材料的压电性能，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。
【IPC分类】H01L41/37, H01L41/18
【公开号】CN105449095
【申请号】CN201511025914
【发明人】李蕊, 石志梁, 裴建中, 陈旭, 王鹏志
【申请人】长安大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月31日