[发明专利]一种陶瓷/树脂压电复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种陶瓷/树脂压电复合物的制备方法。

背景技术

陶瓷－树脂压电复合物因其具有比单一的压电陶瓷更优良的性能(例如，高耦合，低声阻抗等)而备受关注，且被广泛地用于超声传感器领域。陶瓷－树脂压电复合物其特点之一就是其在“硬”的陶瓷和“软”的有机树脂之间的应力传递性能；其可使复合物具有较高的压电性能，同时能减少复合物的有效声阻抗，且降低横向振动的传播，从而使复合物更加适合于水下和医疗的应用。

2-2型结构是最常见压电复合物的连接方式之一。第一个数字代表压电相(通常为压电陶瓷)的连接维数；第二个数字代表非压电相的连接维数，由Newnham提出。压电复合物的设计以及制备都非常关键，因为这些工艺可以显著地影响复合物的压电性能。当前，很多技术可以用来制备压电(陶瓷－有机)复合物，例如dice and fill，注射成型(Injecton moulding)。传统的dice and fill技术受限于切片刀的厚度，特别是用来制备高频用的压电复合物。近几年实体自由成型技术(Solid freeform fabrication techniques)也用来制备2-2型压电复合物，但成本相对较高。

近来特别是在Zhang和Deville相继在Nature Materials和Science发表文章之后，冷冻干燥法作为多孔材料的制备方法因其简单且环保等特点而备受关注。国内外大量的工作专注于利用冷冻干燥法制备多孔陶瓷和力学性能的评估。然而，对于功能性方面却鲜有报道。这种片状的排列方式与前面提到的2-2型压电复合物的结构十分相似，可以对此结构加以利用，发掘其功能方向的应用。所以本发明人试图从这一角度出发，通过利用冷冻干燥法来获得具有片状结构的多孔压电陶瓷，进而填充环氧树脂来获得2-2型结构的压电复合物，简化2-2型压电复合物的制造工艺，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种2-2型陶瓷－树脂压电复合物的制备方法，具体来讲本发明的目的是提出一种通过冷冻干燥法制得具有层状结构的多孔压电陶瓷，进而填充环氧树脂获得2-2型压电复合物的材料成型方法，与其他2-2型压电复合物制备方法相比，此方法是一种易操作、成本低、环保型的成型方法。本发明的核心是利用以水为溶剂的压电陶瓷浆料，以液氮为冷却介质，通过冷冻干燥法来得到具有片式结构的多孔压电陶瓷。

本发明通过以下具体工艺步骤实施：

步骤(1)：取适量分散剂加入去离子水中，将称量好的压电陶瓷粉体加入其中并球磨，制得稳定的陶瓷悬浮液；

步骤(2)：将粘合剂加入步骤(1)得到的陶瓷悬浮液中并搅拌，将搅拌后的悬浮液注入单面开口的PDMS(polydimethylsiloxane)有机软模中，真空排气泡后用铜箔将其开口封闭；

步骤(3)：然后将有机软模倒置并移入冷却装置中的金属冷板上，冷却装置以液氮作为冷却介质，冷冻温度为-100～0℃，直至有机软模中的试样完全冷冻；

步骤(4)：将冷冻完全的试样脱模，并转移至真空冷冻干燥机内，使冰晶升华，即可得到具有层状以及多孔结构的素坯，其中冷冻干燥温度为-40～0℃，干燥时间为24hrs；

步骤(5)：将步骤(4)中的素坯烧结，烧结温度为1100～1350℃，保温时间为2hrs，即可得到具有层状以及多孔结构的压电陶瓷；

步骤(6)：将步骤(5)获得的压电陶瓷放入环氧树脂与固化剂的混合物中，抽真空以便树脂混合物填充进压电陶瓷中；

步骤(7)：将步骤(6)所得的样品移入恒温烘箱完全固化；

步骤(8)：将步骤(7)中完全固化的样品切割，选取上半部分，即远离冷端的部分，和中间部分，即可获得具有2-2型陶瓷－树脂压电复合物。

因为采用液氮为冷却介质，可以使装置获得较宽的冷却速率范围，从而可以扩大陶瓷壁厚的可调范围(在冷冻干燥法中，通常情况下，较高的冷却速率会使陶瓷壁厚变细，较小的冷却速率会使陶瓷壁厚变宽)，使得应用更加广泛。此外，此发明具有普适性，可以适用于多种压电材料，比如锆钛酸铅(PZT)，钛酸钡(BaTiO₃)等。

总之，利用此发明来制备2-2型陶瓷－树脂压电复合物具有如下特点：

设备简单，容易操作，可控性强，可以大大降低压电复合物的生产成本；由于以水为造孔剂，对环境无污染，此外较少的引入有机粘合剂，是一种较为环保的成型方法。

附图说明