陶瓷聚合物相压电复合材料研究进展

陶瓷聚合物相压电复合材料研究进展陶瓷聚合物相压电复合材料研究进展 第 期 第 期 佛山陶瓷 知识讲座 陶瓷 聚合物相压电复合材 研究进展张荣国颜学敏雷家珩 武汉 工大学应用化学系湖 武汉摘要本文介绍了陶瓷 聚合物 相压电复合材 的研究进展及其性能的影响因素 从陶瓷压电相的性能和复合材 的微观结构出发分别综述了 型陶瓷 聚合物相压电复合材 的制备工艺及其对性能的影响 重点介绍了陶瓷压电粉体最新合成方法的进展情况 关键词陶瓷 聚合物相 压电复合材 合成 性能 引言设法使两 种组元各自按自己的极化方式取得一致极化方向时 使用压电常数 绝对值趋于 的聚合物对提高复合材 压电性能是有益的 由于在交变场作用下 电势差基本按组元的介电性进 分配 高介电 组分所分配的电位移相对较少 导致了复合材 整体的压电能 下降 因此应设法降低具有较好压电能 的陶瓷相组元的介电常数 以及选 用具有较高介电常数的高分子作为聚合物组元 使用第三相组元也可在一定程度上改善材 的介电匹配 增强材 性 能 弹性模 的差异使 同组元间的结合受到影响 对由陶瓷压电相和聚合物相组成的压电复合材 由于柔性聚合物相的 加入 使之与压电陶瓷相比较具有 低的密度和声阻抗 同时介电常 数的降低有助于复合材 的水声优值和机电耦合系数提高 从而使复 合材 在水听器 生物医学成像 无损检测 传感器等方面有着 广 泛的用途 压电复合材 的性能 仅决定于陶瓷压电材 和压电聚合物材 本身的 性能 还与其制备工艺密切相关 陶瓷 聚合物相压电复合材 性能的影 型复合材 而言 大 的弹性模 差异延迟了材 内部应 的传递 起主要作用的陶瓷压电相 因所受到的应 小而减弱了其压电能 的发挥 最终表现为复合材 压 电能 的下降 而 型复合材 的传感性能与两相弹性模 的差值成正比 选用高弹性模 的陶瓷压电相能提高压电复合材 的性能 响因素两相材 之间的相容性和匹配性 陶瓷相的空间尺寸和含 以 及两相的界面结合和极化工艺等都会影响复合材 的压电性能 因此 在材 复合的过程中应该充分考虑各种影响因素 陶瓷压电相的空间尺寸和含 对于 型压电复合材 陶 瓷压电相含 的提高有助于复合材 整体性能的提高 可以采用 同粒 度的粉体进 级配 使较小尺寸的颗粒能够填充到大尺寸颗粒堆积所 形成的间隙中 实现非等径球体堆积的间隙填充 对于陶瓷压电颗 粒大小对复合材 性能的影响 实验与 论均表明 型复合材 的 介电常数和压电常数均随陶瓷颗 组元匹配性压电复合材 论 模型研究表明各组元的压电性能 介电性能和机械性能等对整体材 的压电性能均有一定的影响 由于聚合物相和陶瓷相的压电常数具有相反的符号 导致聚合物相 的压电能 越强 复合材 的压电性能越差 因此要考虑复合材 中两种组元的极化方向 如果 能 粒大小的增大而增加 且有一个上限值 对于 型 压电复合材 实现复合材 整体性能的提高有一个临界的体积分数 和一个临界陶瓷柱纵横比 溶液中用直接沉淀法制备了 纳米颗粒 等人 把 溶解于水 中作为碱溶液 四丁基钛酸盐的乙醇溶液与热碱溶液在常压下混合 制备纳米晶 压电复合材 界面复合材 界面的结构与性能对复 合材 整体的性能影响很大 选择较合适的聚合物相能保证有较好的 界面结合 当压电相与聚合物相 产生浸润时 可以对压电相和聚合 物进 预处 比如用偶联剂 采用原位复合的方法 也能达到较为 想的界面结合 粉末 当碱溶液温度为 时 能得到平均粒径为 的纳米晶粉末 李青莲等 采用硬脂酸钡与钛酸丁酯 反应溶胶 凝胶法制备纳米 等 粉体 人通过水热合成的方法制备了四方相钛酸钡粉末 硝酸铅 二 等 采用水热合成的方法 用 氧氯化锆 氧化钛 氢氧化钾在 反应 制备了 的 极化工艺人工极化是制备压电复合材 必 可少的工 艺 为使复合材 的剩余极化强度最大 选择合适的极化条件至关重要 在极化过程中 影响压电性能的因素有极化温度 极化场强和极化 时间 对于 同的复合体系 其最佳极化工艺是 同的 一般通过实 验来确定最佳极化条件 粉末 最近一些学者在现有的液相合成法的基础上发展了一些新的工艺方 法 这些新方法在压电陶瓷粉末的合成中体现出了较大的优势 将直接沉淀法与超重 旋转填充床反应器 结合起来 把直 接沉淀法一步反应 无需煅烧的优点和超重 反应器制备纳米粒子的 优势相结合 可以在低温 常压的条件下制备出粒径为 的纳米钛酸钡粉体 型压电复合材 型陶瓷压电相的制备在 型压电复合材 中 陶瓷压电相作为活性组元 其性能的好坏直接影 响复合材 的性能 等 研究报导了由形貌可控的亚微米 纳米 级陶瓷压电陶瓷和聚合物复合的纳米复合材 具有优异的电活性 因此 高性能的陶瓷压电陶瓷粉体的制备是制备高性能复合材 的关 键因素 陶瓷压电相的制备方法有很多种 采用 同的方法所得到的粉体 其 形貌 物相 性能等方面都存在很大的差异 传统的陶瓷压电陶瓷粉末的制备方法主要是固相合成法 它是当前 工业上制备陶瓷粉体的重要方法 但是该方法制备的粉体粒度大 纯度低 产物活性 高 难以满足高 性能陶瓷粉体的要求 机械合金化方法在制备陶瓷压电陶瓷粉体方面具有工艺简单 方 所用原 成本低等优点 由于含铅压电陶瓷粉体中的铅极 挥发 机械合金化方法能有效抑制 挥发组分的挥发 而且所得的陶瓷粉末具有高的烧结性 彭青松等 人用机械合金化的方法制备了粉体粒度约为 的 粉末 湿化学方法由于具有合成温度低且各组分能达到分子级别的混合等 特点而成为国内外科研工作者制备性能良好的高纯陶瓷粉体的有效 方法 等 人在水 型压电复合材 的 制备传统的 型压电复合材 的制备方法主要有涂覆法和轧膜法 邹小平等 采用热辊轧机制备的 压电复合材 陶瓷相体积分数为 时 相对介电常数为 介电损耗为 压电常数值为 随着对材 性能要求的进一步提高 作为活性相的陶瓷粒子越来越趋 向于超细化 而超细粒子的性能虽比常规粒子要优越很多 但其在 加工过程中的团聚是一个很难解决的难题 因此出现了一些新的制 备方法 如溶液混合法 溶液聚合法 水解 聚合原位合成法等 通过在溶液中混合 陶瓷压电相能够均匀地分散在聚合物基体中 从而有助于复合材 性能的提高 复合过程中通过原位反应使陶瓷压电相颗粒与聚合物的界面结合良 好 而对陶瓷粒子的界面改性 则能 进一步促进陶瓷压电相和聚合 物相的界面结合 形成均匀分散 性能良好的 型复合材 型压电复合材 压电陶瓷细柱复合材 型压电 复合材 中陶瓷压电相的最初使用类型为陶瓷柱 陶瓷柱的制备通常 是将烧结好的陶瓷经两次切 第 期 第 期 佛山陶 瓷 割而得到具有一定长径比的陶瓷细柱 制作 型复合材 的方法主要有排列 浇铸法 切割 填充法和 激光 超声波切割法 杨凤霞等 人采用排列 浇铸法制备了 型材 发展的重 要方向 今后的工作主要包括 结合 论模型从化学角度来考虑最优化陶 瓷相的合成方法 解决陶瓷压电相在聚合物相中的分散问题 以及与聚合物相界面的结合问题 进一步开发新的连通类型 和混合连通类型的陶瓷 聚合物压电复合材 细柱 环氧树脂压电复合材 当陶瓷相体积分数为 时 厚度为 的试样声阻抗为 机电耦合系数为 相对介电常数为 压电陶瓷纤维复合材 由于陶瓷细柱在与聚合物复合的过程中 对工艺要求严格 后来人们用压电陶瓷纤维代替陶瓷细柱 陶瓷纤维具有较小的单元尺寸 以它为陶瓷相制备出的复合材 均匀 性好 尤其适合波长较短的高频超声器件的制作 制备陶瓷纤维的方法大致可归纳为悬浮瓷粉纺丝法 溶胶 凝胶 法 碳 纤维灌浆置换法 参考文献 罗大兵 型压电复合材 的数值分析与材 优化制备工学博士学位 论文 武汉 工大学 罗大兵 郝华 刘韩星等 影响 型复合材 压电性能的因素分析 功能材 潘平彬 陈勇 骆 英 组分材 特性对压电复合材 性能的影响 电子元件与材 等 压电单晶复合材 弛豫型铁电晶体由于其压电性和电致伸缩性 等性能异常优异而倍受关注 该类晶体的介电常数 压电常数 介电损耗和温度稳定性等性能指 标都明显优于传统的 类压电陶瓷 特别是它的机电耦合系数 可高达 以上 比传统的压电陶瓷材 约高出 这些都使其有 可能在海军声纳 医用超声换能器等压电器 件设计中得到广泛的应用 成为新一代的压电材 压电单晶可以利用熔盐法生长 坩埚下降法生长 助溶剂 法生长 制备 用压电单晶和聚合物复合得到的 型压电复合材 由于单晶活 性相的优异性能而具有优异的综合性能 甘国友 严继康 孙加 等 压电复合材 的现状与展望 功能材 彭青松 江莞 王刚等 机械合金化制备 陶瓷 陶瓷材 学报 李青莲 陈维 陈寿田等 压电与声光 栾伟玲 高濂 郭景坤 溶胶 凝 胶法制备 纳米粉体的影响因素 陶瓷材 学报 用加速 坩锅旋转技术制备了 单晶并与聚合物复合 制备了 同体积分数的 型复合材 当单晶的体积分数为 时 复合材 的压电常数为 复合材 的优值 机 电耦合系数达到 为 其综合性能优于 压电单晶 陶瓷和 陶瓷 聚合物复合材 邹小平 张良莹 姚熹等 型压电 陶瓷聚