[发明专利]高d33无铅压电陶瓷-聚合物-盐压电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无铅压电陶瓷-聚合物-盐压电复合材料及其制备方法，特别涉及一种具有高d₃₃的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)和盐的压电复合材料及其制备方法，属于压电复合材料技术领域。

背景技术

压电陶瓷由于其优良的压电性能，且能够用传统的烧结方式获得，因此成为了现在应用最为广泛的一种压电材料。但是，压电陶瓷虽然拥有良好的压电性能，却有较大的脆性，因而限制了其应用。而压电材料的发展方向是即具有高的压电性能且拥有一定的韧性，因此早在1972年日本的北山中村制备了BT-PVDF复合材料，开创了这类材料的先河。接着，1978年美国宾州州立大学的R.E.Newnham等人结合前人的研究开创性地提出了压电和热释电复合材料的概念。从此压电复合材料成为压电材料的一个研究的重点，但是在过去的三十年里具有较好综合性能的且制备简单的0-3型压电复合材料的d₃₃难以得到有效的提高，即使使用了拥有高达600pC/N的d₃₃的PZT压电陶瓷与PVDF的复合材料，有文献报道其d₃₃最高值也在65pC/N左右。

此外，国内外现在通常采用含铅的压电陶瓷与PVDF、P(VDF/TrFE)以及环氧树脂等聚合物制成压电复合材料，但是含铅的压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中会对环境造成巨大的危害。因此，2003年欧盟通过了《关于禁止在电器和电子设备中使用某些有害物质》的RoHS指令，随后相似的法令在世界各地相继出现，我国也于2006年2月由信息产业部颁布了《电子信息产品污染防治管理办法》，压电陶瓷由此向无铅化发展。在2004年，日本科学家Yasuyoshi Saito等人使用反应模版的方法制得了压电性能可以与含铅压电陶瓷媲美的无铅压电陶瓷，而压电复合材料概念的提出者之一Eric Cross在同一期Nature上发表了《lead free at last》的文章。从此，近几年来掀起了无铅压电陶瓷与压电聚合物的压电复合材料研究的热潮，因此，采用无铅压电陶瓷与压电聚合物制成压电复合材料是大势所趋。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高d₃₃的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)和盐的压电复合材料及其制备方法，该方法是将铌酸钠钾基无铅压电陶瓷粉末与聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)和盐按设计比例配制成混合物料再制备成压电复合材料，所述的制备方法能使0-3型铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与PVDF压电复合材料的d₃₃由未加盐时的9～35pC/N提高到加盐后的24～80pC/N；所述的压电复合材料呈纯的钙钛矿结构。

为实现本发明的目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的：

本发明具有高d₃₃的无铅压电陶瓷-聚合物-盐压电复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)用传统方法制备好铌酸钠钾基无铅压电陶瓷粉末；

(2)将制备好的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷粉末与聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)和盐按照体积百分比70∶29.5∶0.5，或70∶29∶1的比例混合形成复合材料粉末；

(3)将步骤(2)中得到的复合材料粉末用冷干压法经15～20MPa压力压成直径10～20mm，厚度为1～2mm的圆片；

(4)将步骤(3)中得到的圆片置于马弗炉中，在80～250℃的温度下热处理2～8h，即制得铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与聚合物聚偏氟乙烯和盐的压电复合材料样品；

(5)将步骤(4)中得到的样品表面用小型离子溅射仪或导电银漆镀上或刷上电极；接着在硅油中极化，极化温度为80～140℃，极化电压为3～9kV/mm，极化时间为10～90min，即得到极化了的压电复合材料样品，将所述压电复合材料样品置于空气中3days，测试其压电性能d₃₃。

上述技术方案中，所述盐为K₂CO₃，或Na₂CO₃，或NaCl，或Li₂CO₃。

本发明所述的方法制备的压电复合材料，其特征在于所述压电复合材料为铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与聚合物聚偏氟乙烯和盐的压电复合材料，其结构为纯的钙钛矿结构。

上述技术方案中，所述的压电复合材料中所述铌酸钠钾基无铅压电陶瓷与聚合物聚偏氟乙烯和盐的体积百分比为70∶29.5∶0.5。