一种无铅三组分压电聚合物复合材料制造技术

一种可成型用于柔性和/或薄膜应用的具有压电特性的聚合物复合材料，其中所述聚合物复合材料包括聚合物基体和包埋入聚合物基体的压电陶瓷填料。所述聚合物基体可包括至少两种聚合物：第一聚合物和第二聚合物。第一聚合物可以是氟化聚合物，第二聚合物可以与第一聚合物相容和介电常数可以小于约20。所述压电陶瓷填料可以是无铅陶瓷填料如钛酸钡，和可以为所述聚合物复合材料的约40

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种无铅三组分压电聚合物复合材料
[0001]相关申请交叉引用
[0002]无。


[0003]本专利技术主要涉及压电材料。更具体地，本专利技术涉及具有压电特性的聚合物材料。

技术介绍

[0004]压电材料是指在材料中积累的电荷与施加到材料上的机械应力之间有确定关系的材料。一些传统的压电材料是无机陶瓷材料(如压电陶瓷材料)，它们很重且很脆。这些无机陶瓷材料需超过500℃的高温处理。其它传统压电材料是压电聚合物，如PVDF和PVDF
‑
TrFE共聚物。与压电陶瓷相比，这些压电聚合物的压电电荷/应变常数d很低。压电电荷/应变常数d是评估压电材料在电场作用下的驱动能力的重要参数，而压电电压常数g则用于测量压电材料的感应能力。无机压电陶瓷具有高的d(d
33
>150pC/N)，但高的介电常数值限制了其g值(g
33
<50mV.m/N)。相反，压电聚合物具有较低的d(d
33
≈13
‑
28pC/N)和较高的g(g
33
≈200mV
‑
m/N)。所述d
33
值指的是在方向3(与陶瓷元件被极化的方向平行)上施加的每单位应力的感应极化。所述g
33
值指的是在方向3(与陶瓷元件被极化的方向平行)上施加的每单位应力的感应电场。需要具有较高d
33
和g
33
值的材料。对于被认定为压电材料的材料，d/>33
值要大于约1pC/N。

技术实现思路

[0005]高性能压电材料是医疗保健和生物医学应用以及可穿戴电子设备中的传感器、执行器和能量采集器的理想材料。上述及其它应用需要具有机械柔性的压电材料。本专利技术的实施方案提供了使用无铅压电陶瓷填料制成的压电复合材料薄膜。压电聚合物复合材料提供如下一种或多种：具有机械柔性的高压电性能、薄膜形成能力、无支撑膜和基材支撑膜、制备压电聚合物复合材料的简单方法和/或低温加工工艺。
[0006]一种聚合物复合材料实例包括至少两种聚合物的聚合物基体和包埋入聚合物基体中的压电陶瓷填料。所述聚合物基体可包括氟化聚合物和介电常数小于约20的第二聚合物。第二聚合物的特性会影响基体的介电常数，并影响填料在基体中的分散性，而这又会影响压电聚合物复合材料的介电常数。除介电常数小于20外，第二聚合物还与第一聚合物相容。聚合物的相容性可根据聚合物共混物相对于纯聚合物的转变温度(T
m
或T
g
)的迁移来确定。当迁移大于2℃时，聚合物可能是相容的。在聚合物基体中，用作与PVDF
‑
TrFE
‑
CFE(当PVDF
‑
TrFE
‑
CFE为氟化聚合物时)相容的第二聚合物的实例包括PVDF
‑
TrFE(其介电常数约为8
‑
10)、PC(其介电常数约为3)和PPO(其介电常数约为2.5)，这些聚合物的介电常数均小于20。在一些实施方案中，在聚合物基体中压电陶瓷填料的加载量可以为约40
‑
70vol％。对于PVDF
‑
TrFE
‑
CFE基聚合物基体来说，压电陶瓷填料的加载量在此范围之外，则为机械脆性的。在一些实施方案中，第二聚合物在聚合物基体中的加载量可以为5
‑
20wt％。对于PVDF
‑
TrFE
‑
CFE基聚合物基体来说，第二聚合物的加载量在此重量范围之外会使压电性能下降。
[0007]根据本专利技术各个方面，制备压电聚合物复合材料可包括将聚合物基体的两种聚合物溶解在溶剂中以形成双聚合物溶液，将压电陶瓷填料添加至双聚合物溶液中以形成悬浮体，并通过浇铸到基材上和干燥溶剂来形成聚合物复合材料薄膜。在加工过程中，压电聚合物复合材料可以进行电极化处理。在一些实施方案中，对复合材料薄膜进行退火处理和/或对复合材料薄膜进行电晕极化处理。此外，在一些实施方案中，可采用熔融加工技术来制备压电复合材料薄膜；压电复合材料薄膜可定制为(0
‑
3)(随机)、(1
‑
3)(结构化)压电复合材料；和/或可以采用其它非原位和原位技术来制备压电复合材料。(0
‑
3)压电聚合物复合材料指的是陶瓷和聚合物组分的连接性。第一个数字对应的是陶瓷组分中的连接性，第二个数字对应的是聚合物中的连接性。复合材料中压电陶瓷颗粒被三维连接的聚合物相包围时具有(0
‑
3)连接性。与(0
‑
3)压电复合材料相比，一些(1
‑
3)压电复合材料可能具有更高的d
33
值。
[0008]根据本专利技术各个方面，聚合物复合材料可以作为薄膜沉积在基材上，并形成压电设备。在一些实施方案中，聚合物复合材料是在柔性基材上形成的机械柔性薄膜，为制备柔性电子设备的一部分。断裂伸长率值(百分比)可用于表示材料的机械柔性。在一些实施方案中，压电复合材料薄膜的断裂伸长率(百分比)大于25％。此类电子设备可包括压电传感器，所述传感器配置用于产生与用户施加至压电传感器的偏转量成比例的模拟信号。压电传感器可以集成在移动设备中，用于接收控制移动设备的用户输入。在可穿戴医疗设备的一个实施方案中，身体器官的机械振动如心跳可转换为电信号，并通过蓝牙、Wi
‑
Fi或其它信号输送至智能手机或其它计算设备。在使用压电材料的另一实例中，所述材料可被用作转换器来转换输出信号，例如将压电材料配置为扬声器或蜂鸣器来将信号转换为可听声音。在使用压电材料的又一实例中，所述材料可以是透明的，并结合至电子显示屏中以形成触摸屏设备，所述设备可以向用户显示信息，并接收用户通过轻击屏幕对所显示信息的反馈。
[0009]根据本专利技术的一些实施方案，一种压电材料实例包括含有聚合物1/聚合物2/压电填料的三组分压电复合材料，其中聚合物1是PVDF
‑
TrFE
‑
CFE，聚合物2是与PVDF
‑
TrFE
‑
CFE相容的低介电聚合物(介电常数<20)，和压电填料是钛酸钡。该材料以及本专利技术的其它材料均可使用介电常数>20和沸点≥80℃的溶剂来制备，其中溶剂的使用可提供高d
33
和g
33
组合的压电复合材料薄膜。高沸点和高介电溶剂会有助于填料在基体中的分散，以改善薄膜的压电特性。在复合材料中，压电填料的加载量可大于40vol％。形成的压电复合材料薄膜的所需高d
33
和g
33
值可以为d
33
≈30
‑
70pC/N和g
33
≈100
‑
300mV
‑
m/N。根据本专利技术的一些实施方案，另一压电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种聚合物复合材料，包括：包括至少两种聚合物的聚合物基体：包括氟化聚合物的第一聚合物，和介电常数小于约20的第二聚合物，其中所述聚合物基体包括约5
‑
20wt％或更多的第二聚合物；和包埋入聚合物基体中的压电陶瓷填料。2.根据权利要求1所述的聚合物复合材料，其中所述压电陶瓷填料占所述聚合物复合材料的约40
‑
70vol％。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的聚合物复合材料，其中第二聚合物与所述氟化聚合物相容。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的聚合物复合材料，其中所述聚合物复合材料具有压电特性。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的聚合物复合材料，其中第一聚合物包括PVDF
‑
TrFE
‑
CFE。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的聚合物复合材料，还包括连接到所述聚合物复合材料薄膜的柔性基材，其中所述聚合物复合材料为机械柔性薄膜。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的聚合物复合材料，其中所述薄膜或片材的厚度为50
‑
200μm。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的聚合物复合材料，其中所述压电陶瓷填料为无铅压电陶瓷填料。9.根据权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：SABIC环球技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：