一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法技术

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。本发明专利技术通过分别制备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。本发明专利技术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。

Flexible PZT/PVDF composite piezoelectric gel material and preparation method thereof

The invention relates to a flexible PZT/PVDF composite piezoelectric gel material and a preparation method thereof, belonging to the piezoelectric material technology field. The invention is prepared by preparing PVDF sol and PZT sol respectively, and then compounding the two compounds to form a gel. After drying treatment, flexible PVDF nanosheets are formed as skeleton, and PZT nanoparticles grow on flexible PVDF nanosheets to form composite piezoelectric gel materials with nano porous network structure. The composite aerogel has very low density due to its special microstructure, and can regulate the density of the material by adjusting the porosity of the aerogel. At the same time, because of its good flexibility, the PVDF has the characteristics of high strength and flexibility, and PVDF is an organic piezoelectric material, which has good piezoelectricity with PZT composite. It can help to promote the application of piezoelectric gel materials in the field of underwater acoustic transducer.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料及其制备方法
本专利技术属于压电材料
，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。
技术介绍
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(gh)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(dh＝d33+2d31,gh＝dh/ε)，其中，dh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＝dh·gh)。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(JournalofNon-CrystallineSolids,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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料，其特征在于，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。一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：PVDF溶胶的制备；将PVDF溶解于有机溶剂中，加热条件下进行搅拌使得PVDF完全溶解，冷却后得到PVDF溶胶；步骤2：PZT溶胶的制备；将铅前驱体溶解于有机溶剂中，加热条件下进行搅拌使得铅前驱体完全溶解，冷却后得到醋酸铅分散液；然后向所述醋酸铅分散液中加入钛前驱体，搅拌均匀后再加入锆前驱体，得到三元混合前驱体溶液；在所述三元混合前驱体溶液中加入水搅拌均匀形成PZT溶胶；步骤3：复合溶胶的制备；将步骤2制得PZT溶胶加入步骤1制得的PVDF溶胶中，搅拌均匀，形成复合溶胶；步骤4：复合凝胶的制备；将步骤3制得的复合溶胶经陈化处理制得复合凝胶；步骤5：复合压电气凝胶的制备；将步骤4制得的复合凝胶经干燥处理制得所述复合压电气凝胶。进一步地，所述步骤1中溶解PVDF的有机溶剂包括二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。进一步地，所述步骤1中PVDF溶胶的浓度可为25～200g/L。进一步地，所述步骤2中铅前驱体为三水合醋酸铅；所述钛前驱体包括钛酸丁酯或钛酸异丙脂，所述锆前驱体为正丙醇锆。进一步地，所述步骤2中三水合醋酸铅：正丙醇锆：钛前驱体：去离子水的摩尔比为(1～1.1)∶(0～1)∶(0～1)∶(0～20)，且摩尔比n三水合醋酸铅：(n正丙醇锆+n钛酸四丁酯)＝(1～1.1)∶1。进一步地，所述步骤2中加入水时采用缓慢滴加的方式，优先地滴加速率小于15ml/min。进一步地，所述步骤2中PZT溶胶的浓度为0～0.5mol/L。进一步地，所述步骤1和2中加热采用水浴加热；具体地，步骤1中水浴加热温度为50～80℃，步骤2中水浴加热温度为60℃。进一步地，所述步骤3中PVDF与三水合醋酸铅的质量比为mPVDF∶m三水合醋酸铅＝1∶(0～2)。进一步地，所述步骤3中PZT溶胶加入PVDF溶胶中采用缓慢滴加的方式，优先地滴加速率小于10mL/min。进一步地，所述步骤4中陈化处理的具体操作为：将所述复合溶胶密封静置24～72小时形成富有弹性、透明的PZT/PVDF初始复合凝胶，然后加入无水乙醇将其淹没，再静置10～14天，最终得到PZT/PVDF复合凝胶。进一步地，所述步骤5中干燥处理包括超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥。根据本专利技术实施例，所述步骤5采用二氧化碳超临界干燥，具体操作如下：将步骤4制得的复合凝胶进行清洗，具体可采用浸泡在无水乙醇中进行清洗；清洗完成后，置于超临界干燥釜内，以二氧化碳为干燥介质进行超临界萃取。作为优选方式，干燥压强为9～15MPa、干燥温度为35～60℃、萃取时间为10～18小时，浸泡时间为12～18小时、二氧化碳流速为每小时5～10L。相比现有技术，本专利技术的有益效果如下：将聚偏氟乙烯(PVDF)与锆钛酸铅(PZT)进行纳米量级的复合，由于PZT中铅离子作为一种重金属，对PVDF的变性凝胶有催化作用，同时PVDF也对铅离子有着吸附作用，使获得的气凝胶结构明显不同，本专利技术的复合压电气凝胶中PVDF含量远远高于无机气凝胶含量，表现为以柔性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。本专利技术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。附图说明图1(a)为本专利技术实施例1中制得4gPZT/PVDF复合气凝胶的实物图，图1(b)为本专利技术实施例1中制得复合气凝胶在1k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料，其特征在于，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。2.一种柔性PZT/PVDF复合压电气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：PVDF溶胶的制备；将PVDF溶解于有机溶剂中，加热条件下进行搅拌使得PVDF完全溶解，冷却后得到PVDF溶胶；步骤2：PZT溶胶的制备；将铅前驱体溶解于有机溶剂中，加热条件下进行搅拌使得铅前驱体完全溶解，冷却后得到醋酸铅分散液；然后向所述醋酸铅分散液中加入钛前驱体，搅拌均匀后再加入锆前驱体，得到三元混合前驱体溶液；在所述三元混合前驱体溶液中加入水搅拌均匀形成PZT溶胶；步骤3：复合溶胶的制备；将步骤2制得PZT溶胶加入步骤1制得的PVDF溶胶中，搅拌均匀，形成复合溶胶；步骤4：复合凝胶的制备；将步骤3制得的复合溶胶经陈化处理制得复合凝胶；步骤5：复合压电气凝胶的制备；将步骤4制得的复合凝胶经干燥处理制得所述复合压电气凝胶。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中溶解PVDF的有机溶剂包括二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1和2中加热采用水浴加热；具体地，步骤1中水浴加热温度为50～80℃，步骤2中水浴加热温度为60℃。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中铅前驱体为三水合醋酸铅；所述钛前驱体包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖家轩，吴孟强，徐自强，巩峰，录凯，黄雄芳，王武，马云飞，李湜，
申请(专利权)人：电子科技大学，保山亚隆信投资管理有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51