[发明专利]一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法

说明书

一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法，属于压电材料技术领域。本发明通过分别制备PVDF溶胶和PZT溶胶并将二者复合进而陈化形成凝胶，经干燥处理制得以柔性PVDF纳米片为骨架，PZT纳米颗粒生长在柔性PVDF纳米片上聚集形成纳米多孔网络结构的复合压电气凝胶材料。本发明复合气凝胶由于其特殊的微观结构，具有极低的密度，并且通过调节气凝胶的孔隙率能够调节材料的密度，同时由于PVDF具有很好的柔韧性，其作为骨架使得材料整体表现出强度高且柔韧性好的特点，并且PVDF是一种有机压电材料，同PZT复合具有良好的压电性能，有利于促进压电气凝胶材料在水声换能器领域的应用。

技术领域

本发明属于压电材料技术领域，具体涉及一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

锆钛酸铅(PZT)是一种典型的三方-四方钙钛矿结构铁电陶瓷，具有优异的压电和介电性能，在现代电子工业中扮演着重要角色，并作为声学换能器件广泛应用在水声换能器领域和医疗成像诊断设备方面。静水压优值(HFOM)的大小是衡量材料是否适合用来制备水听器等声学换能器的标准，静水压电压系数(g_h)常被用来表征水声换能器的灵敏度，而静水压电压系数的大小取决于材料的压电系数和介电常数(d_h＝d₃₃+2d₃₁,g_h＝dh/ε)，其中，d_h为静水压压电系数，其大小取决于纵向压电系数d₃₃和横向压电系数d₃₁的和，静水品质因子即静水压优值的大小则取决于静水压压电系数与静水压电压系数之积(HFOM＝d_h·g_h)。致密PZT陶瓷具有极高的介电常数，大大降低了材料的静水压优值，另一方面，致密PZT陶瓷密度很大，声阻抗等于材料的密度与声速的乘积，因此PZT陶瓷的声阻抗远大于水的声阻抗，极大的密度差与声阻抗差使得二者之间的匹配性较差，严重影响了水声换能器的灵敏度。在当今陆地资源日益枯竭，各国竞相争夺深海资源这一制高点，推进水声换能器的发展至关重要，这就要求我们寻找密度低且可调的压电材料。用以提高水声换能器的灵敏度。

1931年，Kistler首次提出气凝胶的概念，气凝胶是一种用气体取代凝胶中的液体溶剂，但仍保留其本身的三维网络结构和体积的特殊凝胶材料。拥有相互贯穿的三维网状结构、高孔隙率、巨大表面积和低密度是气凝胶材料的显著特征。然而，制备PZT气凝胶的难度远远大于PZT陶瓷和多孔PZT陶瓷。因为气凝胶制备主要是采用先基于溶胶-凝胶法生成水凝胶再经干燥工艺进行溶剂交换得到高开孔气凝胶材料。而在这种有机溶胶-凝胶化方法中，通常采用金属醇盐作为前驱体，而金属醇盐遇水发生快速水解缩聚反应，极易生成沉淀，无法以溶胶状态存在；同时PZT为铅(Pb)、锆(Zr)、钛(T)三元金属氧化物，各前驱体的水解缩聚条件不同，难以找出同时满足三种前驱物水解缩聚的条件；Pb的价态为2价且含量较多，难以形成牢固的三维网络结构，致使PZT气凝胶易碎。因此，到目前为止，PZT气凝胶鲜见报道，几乎停留在90年代Peer团队(Journal of Non-Crystalline Solids,1995,186:59-63)的研究水平。另一方面，尽管气凝胶的密度可以认为是所有固体材料中最低的，但也正因为其特殊的微观结构存在骨架结构不稳定的性质，使得气凝胶的力学性能差。PZT气凝胶和其它气凝胶一样，其高的孔隙率导致其强度差、脆性大、柔韧性差，成块性差，无法维持较好的界面完整性，由于这些原因导致其本征性能也明显变差，纯PZT气凝胶根本无法应用在水声换能器，这在很大程度上限制了PZT气凝胶材料在水声换能器领域的发展。故而，为了使PZT气凝胶材料应用在水声换能器并发挥良好的作用，必须对PZT气凝胶进行改性、优化，强化增韧获得大块气凝胶是优化的前提。

发明内容

针对现有水声换能器的压电材料密度过大难以匹配水的声阻抗，本发明提供一种适用于水声换能器的柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：