一种0-3型复合压电材料及其制备方法和器件技术

本发明专利技术公开了一种0‑3型聚合物与陶瓷复合压电材料，包括陶瓷相压电材料和压电聚合物，所述陶瓷相压电材料表面为石墨烯粉料所包覆。此外，还公开了制备复合压电材料的方法和包含其的器件。本发明专利技术使用特定比例的石墨烯对陶瓷相粉料预先进行包覆后，使得力的传导更为连续，对成型后的0‑3型压电复合材料的压电性能具有提升作用。同时，通过在压电聚合物中添加石墨烯，可将聚合物相的电导率提高至与陶瓷相相近的范围内，降低陶瓷相的极化难度。此外，石墨烯对0‑3型压电复合材料体系具有增韧作用，提高了整个体系的力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电材料领域；涉及一种聚合物与陶瓷复合压电材料及其制备方法和器件，更具体地，涉及一种0-3型聚合物与陶瓷复合压电材料及其制备方法和器件。技术背景压电陶瓷材料(例如锆钛酸铅，PZT)具有压电性能高和机电耦合系数大等特点，但其耐冲击性能较差，应用受到一定限制。某些高分子材料(例如聚偏二氟乙烯，PVDF)的柔韧性好，但压电系数和机电耦合系数较小，另外温度特性和老化特性也存在问题。将压电陶瓷材料与聚合物材料按一定连通方式复合后，可制成既具有一定压电性，又具有柔软性的压电复合材料。这种压电陶瓷粉末分散于三维连续的聚合物基体中形成的复合材料被称为0-3型压电复合材料。与纯陶瓷压电材料相比，0-3型压电复合材料不仅能够减弱脆性以外，还容易制成各种形态的弹性体，例如薄片、柱状、纤维状，并且可浇铸成型，适于大量生产。综合来看，0-3型复合材料的性能优于其他形式的压电材料。然而这类复合材料有三个主要缺点：(1)聚合物自身电导率(如PVDF～10-14S/m)和压电陶瓷电导率(PZT～10-8S/m)之间差距较大，复合材料在极化时，绝大部分电场分布在聚合物上，使得0-3型压电复合材料中陶瓷的极化比较困难；(2)两相之间物化性能和力学性能有较大差异，导致两相通常分散不均匀且力的传导较为困难，最终导致其压电性能不好；(3)为保证较好的压电性能，需要提高陶瓷相比例，但复合材料的韧性随着陶瓷相的比例提高而降低。为了解决上述问题，通常需要对压电复合材料进行改性，从而改善界面结合性，并且提高或改善电学性能。例如，中国专利申请CN104157784A公开了一种复合纳米压电发电机的制备方法。该方法将纳米压电颗粒和有机压电材料结合起来，制备出颗粒分布均匀的柔性的压电薄膜，通过高压极化获得高输出的压电纳米发电机。纳米压电颗粒具有高的压电性能，作为基体的有机压电材料不但本身具有压电性能，并且它的溶液具有地粘稠性能够将压电颗粒均匀的分散在其中，同时具有良好的机械性能。然而，该专利申请提供的是使用陶瓷相压电材料和PVDF、P(VdF-HFP)等聚合物压电材料的复合方法。这是一种基础的0-3型压电材料，对上述3个缺点未提出解决方法。压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法。此外，中国专利申请CN105789431A公开了一种压电陶瓷聚合物复合材料的制备方法。该方法将一层导电颗粒聚合材料夹入两层0-3型压电陶瓷聚合物压电复合材料中，在平板硫化机上170～180℃热压成型12小时制备成最终的压电陶瓷聚合物复合材料。然而，该专利申请主要是为了解决0-3型压电复合材料上述缺点(3)中陶瓷相比例提高导致韧性差的问题。无法解决(1)和(2)两项缺点。对于缺点(2)，该专利解决方案是采用三明治结构，使用不含陶瓷相的导电聚合物在中间作为支撑层来保证柔韧性，其上下各有一层高陶瓷相的0-3型材料层来提供高压电性能。然而该技术缺点是中间层与压电性能无关，增加了压电体额外的体积，如按体积平均计算，陶瓷相的比例依然较低。此外，还有一些非专利文献报道加入导电材料可以增加基体电导率，改善极化困难以及陶瓷相和聚合物相结合不紧密等问题。然而，导电材料增加至渗流阈值，复合材料电导率急剧增加，导电材料容易形成连通电路，从而在极化时容易发生击穿现象。因此，针对上述缺陷，迫切需要寻找一种新的简单经济的制备方法，以获得高陶瓷相韧性较好、容易极化以及陶瓷相和聚合物相结合紧密的0-3型聚合物与陶瓷复合压电材料。
技术实现思路
针对现有技术的不足，专利技术人发现，当使用特定比例的石墨烯对陶瓷相粉末的预处理和包覆后，可解决高陶瓷相韧性不足、极化困难以及陶瓷相和聚合物相结合不紧密等问题。在此基础上，本专利技术提出了新的0-3型聚合物与陶瓷复合压电材料及其制备方法和器件。众所周知，石墨烯是目前所知的理论最薄也是最强韧的材料，其断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。这种新型材料还具有优良的导电能力，其电阻率比铜或银更低，为目前电阻率最小的材料。在现有技术中，存在通过加入导电材料降低聚合物电阻率的手段，但加入过多则会导致损耗过大。专利技术人通过大量试验发现，因其优良的导电性，可加入较少量的石墨烯即可实现聚合物整体导电性的提高，从而将带来的损耗降至最低。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种0-3型聚合物与陶瓷复合压电材料，包括陶瓷相压电材料和压电聚合物，其特征在于，所述陶瓷相压电材料表面为石墨烯粉料所包覆。根据前述的复合压电材料，其中，所述陶瓷相压电材料选自二元系、三元系、四元系和多元系陶瓷相压电材料中的任意一种或多种。其中，二元系陶瓷相压电材料包括，但不限于，钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、锆酸铅PG、钛酸铅PT、改性钛酸铅、钛酸铋钠、碲锰酸铅PMS、铌锰酸铅PMN、铌锌酸铅PZN、铌酸盐、钽酸盐。在本专利技术中，术语“改性钛酸铅”表示使用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb进行改性的钛酸铅。术语“改性锆钛酸铅”表示使用Sr、Ca、Mg、Nb、La、Sb、Cr和Mn进行改性的锆钛酸铅。术语“铌酸盐”包括但不限于(Pb,Ba)NbO3、(Na,K)NbO3和(Na,Cd)NbO3等等。三元系陶瓷相压电材料包括，但不限于，PMN-PZT和PMN-PZN-PT等等，四元系陶瓷相压电材料包括，但不限于，PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT和PZN-PNN-PZT等等。优选地，所述陶瓷相压电材料选自钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、锆酸铅PG、钛酸铅PT、改性钛酸铅、钛酸铋钠、碲锰酸铅PMS、铌锰酸铅PMN、铌锌酸铅PZN、铌酸盐、钽酸盐中的任意一种或多种。更优选地，所述陶瓷相压电材料选自钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、锆酸铅PG、钛酸铅PT、改性钛酸铅、钛酸铋钠、铌酸盐、钽酸盐中的任意一种或多种。最优选地，所述陶瓷相压电材料选自钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、锆酸铅PG、钛酸铅PT、钛酸铋钠、铌酸盐、钽酸盐中的任意一种或多种。在一个具体的实施方式中，所述陶瓷相压电材料选自锆钛酸铅PZT。根据前述的复合压电材料，其中，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚二氟乙烯和聚丙烯腈及其共聚物中的任意一种或多种。优选地，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯腈及其共聚物中的任意一种或多种。更优选地，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯和聚丙烯腈及其共聚物中的任意一种或多种。最优选地，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯及其共聚物中的任意一种或多种。在一个具体的实施方式中，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯。根据前述的复合压电材料，其中，所述石墨烯粉料层数为1-10层，层内方向上粒径为50-200μm。优选地，所述石墨烯粉料层数为1-8层，层内方向上粒径为50-150μm。更优选地，所述石墨烯粉料层数为1-6层，层内方向上粒径为50-120μm。最优选地，所述石墨烯粉料层数为1-4层，层内方向上粒径为50-80μm。在一个具体的实施方式中，所述石墨烯粉料层数为3层，层内方向上粒径为60μm。根据前述的复合压电材料，其中，所述陶瓷相压电材料与所述石墨烯粉料的重量比为(90-99.95)：(0.05-10)。优选地，所述陶瓷相压电材料与所述石墨烯粉料的重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种0‑3型聚合物与陶瓷复合压电材料，包括陶瓷相压电材料和压电聚合物，其特征在于，所述陶瓷相压电材料表面为石墨烯粉料所包覆。

【技术特征摘要】
1.一种0-3型聚合物与陶瓷复合压电材料，包括陶瓷相压电材料和压电聚合物，其特征在于，所述陶瓷相压电材料表面为石墨烯粉料所包覆。2.根据权利要求1所述的复合压电材料，其中，所述陶瓷相压电材料选自二元系、三元系、四元系和多元系陶瓷相压电材料中的任意一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合压电材料，其中，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚二氟乙烯和聚丙烯腈及其共聚物中的任意一种或多种。4.根据权利要求1所述的复合压电材料，其中，所述石墨烯粉料层数为1-10层，层内方向上粒径为50-200μm。5.根据权利要求1所述的复合压电材料，其中，所述陶瓷相压电材料与所述石墨烯粉料的重量比为(90-99.95)：(0.05-10)。6.根据权利要求1所述的复合压电材料，其中，所述包覆通过下列手段进行，将所述陶瓷相压电材料与所述石墨烯粉料以及合适的助剂进行湿法球磨，球磨后的物料干燥研磨后过500目筛。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋波，李艳杰，袁征，
申请(专利权)人：北京恒通绿建节能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11