一种路用压电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术工艺简单，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于路用材料的研究
，具体涉及一种路用压电陶瓷/聚合物的复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着我国社会经济发展，能源消耗越来越大。传统能源已出现短缺，这加速了人们对可再生能源、绿色能源的重视与研究，尤其是关于电能的采集和利用。众所周知，各种交通工具在行驶过程中会产生大量的机械能，如果将这部分机械能转换为人类可利用的电能，一方面可以带来巨大的经济效益和环境效益。这种产生电能的方式是环保清洁的，同时减小对能源的损耗；另一方面可以减小路面的振动和变形，减少路面结构损伤等，具有非常广阔的应用前景。压电材料的研究与应用对于路面的机械能回收技术起着至关重要的作用，目前国内外的研究主要集中在压电材料的电能收集方面，而对适于道路发电技术的压电材料制备寥寥无几。在进行道路能源收集时，由于路面收到低频、高应力的车辆荷载作用，且长时间处于恶劣的自然环境当中，压电材料不仅要具有较好的压电性能、介电性能及压电耦合性能，还应具有高的抵抗环境破坏作用的能力，因此，压电材料的耐久性和压电性能在道路环境中的应用均发挥着重要作用，两者缺一不可。传统的压电陶瓷的压电性能和介电性能非常好，但其硬而脆的特性使它的成型较为困难，并且抗交通荷载冲击性能较差，在动态交通荷载作用下很容易发生疲劳裂纹，产生脆性断裂。
技术实现思路
为了克服现有压电材料在路用性能方面的不足，本专利技术提供了一种压电性能高，同时又能抵抗车辆荷载反复作用、力学性能优良的路用压电复合材料。同时本专利技术还提供了上述路用压电复合材料的制备方法。本专利技术实现上述目的所采用的技术方案是：该路用压电复合材料，包括压电陶瓷和聚偏氟乙烯，还包括钛酸酯偶联剂和黑炭黑，各原料的质量份配比为：各原料的质量份配比优选为：上述的路用压电复合材料的制备方法，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±1mm、厚度1±0.2mm的片状试样，烘箱中80～120℃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℃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℃，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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术在原有的压电陶瓷(锆钛酸铅)PZT/聚偏氟乙烯PVDF基础上添加了适量的钛酸酯偶联剂，从而改善了复合材料的两相界面状态，提升复合材料的介电性能和力学性能。2、本专利技术将导电黑炭黑作为掺杂相与钛酸酯偶联剂产生配合，产生协同效果，促进复合材料能够在较低电场强度下极化，并且增加了陶瓷相中具有压电功能相四方相(002晶面和200晶面)的数量，极化程度增强，提高材料的介电性能和力学性能。3、将本专利技术的各原料通过热压法压制，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，大大提高材料的路用压电性能。本专利技术工艺简单，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。附图说明图1为对比例1的XRD图。图2为实施例1和对比例2的XRD对比图。图3为实施例1的SEM图谱。图4为对比例1的SEM图谱。图5为对比例2的SEM图谱。具体实施方式现结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行进一步说明，但是本专利技术不仅限于下述的实施方式。实施例1现以100gPZT‐5H压电陶瓷为基料，制备本专利技术的路用压电复合材料所用各原料及配比如下：本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的熔点Tm＝167℃，密度ρ为1.75～1.78g/cm3，聚偏氟乙烯的数均分子量是825000，黑炭黑的型号为N570。制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：(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±1mm、厚度1±0.2mm的片状试样，烘箱中100℃下干燥12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25MPa，加热至180℃后保温30min，保压30min，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100℃，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35min，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。实施例2现以100gPZT‐5H压电陶瓷为基料，制备本专利技术的路用压电复合材料所用各原料及配比如下：本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的密度ρ＝1.75g/cm3，熔点Tm＝167℃，数均分子量是825000，黑炭黑的型号为N234。制备上述路用压电复合材料的方法由以下步骤组成：(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±1mm、厚度1±0.2mm的片状试样，烘箱中80℃下干燥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23MPa，加热至160℃后保温40min，保压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℃，在试样两端施加高压直流电场，极化场强为3kV/mm，极化时间为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。实施例3现以100gPZT‐5H压电陶瓷为基料，制备本专利技术的路用压电复合材料所用各原料及配比如下：本实施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的数均分子量是825000，密度ρ＝1.76g/cm3，熔点Tm＝167℃。黑炭黑的型号为N326。制备上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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：
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：
3.一种权利要求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±1mm、厚度1±0.2mm的片状试样，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蕊，石志梁，裴建中，陈旭，王鹏志，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61