PZN-PZT压电陶瓷及其PVDF压电复合材料的制备和性能.pdf

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1、文章编号!#$%&()#)*#%$#+#$#收稿日期!)#$#$+,收修改稿日期!)#$)%基金项目!国家自然科学基金资助项目(#+)#*作者介绍!李小兵(-+.*/男/博士/主要从事压电复合材料方面的研究0田莳(-%&*/男/教授/主要从事压电复合材料研究01 2 3 4 1 2 5压电陶瓷及其1 6 7 8压电复合材料的制备和性能李小兵/田莳/李宏波(北京航空航天大学 材料科学与工程学院/北京#&%*摘要!采用固相烧结法合成了9:;$9:?A B C等测试方法对其结构和性能进行了分析0 9:;$9:常压烧结陶瓷具有优良的压电性能/9:;$9:颗粒粒径在#D E.F G之间/颗粒形态不太规整

2、0采用溶液共混法将9:;$9:粒子均匀分散于9 H?I基体中/制备了9:;$9:J9 H?I#$%型压电复合材料0研究了9:;$9:质量分数极化电场等因素对该压电复合材料压电和介电性能的影响0实验结果表明/选用压电活性更高的压电陶瓷粉末进行复合/可有效提高压电复合材料的压电性能0增加9:;$9:质量分数提高极化电压均有利于复合材料压电性能的提高0关键词!9:;$9:,固相烧结法,压电复合材料,溶液共混法中图分类号!K%-文献标识码!L1 M N 1 O M O 5 P Q 3O 3 71 M Q 1 N M 5 P N RQ 81 2 3 4 1 2 51 P N 2 Q N S N T 5

3、M P TT N M O UP T RO 3 71 2 3 4 1 2 5 J 1 6 7 81 P N 2 Q N S N T 5 M P TT Q U1 Q R P 5 N RV W=X Y Z$X /W L;A X/V W _Z$Z(A Z Z a Z b CY c d e X Y a f A X d dY gB X d d e X /K d X h X i X j d e f X c kZ b Ld e Z Y l c X f Y gLf c e Z Y l c X f/K d X h X#&%/m X Y*O n o p q r s p!d e Y e kf k f c d G t

4、X d u Z d a d c e X d e Y GX GY c d e X Y a f9:;$9:v 9#D-V Y#D#%(:J%;)J%*#D%:e#D%+X#D%w%xY gc d X e t Z yg d e f yd e d b Y e X Y c d gl f X f Z a X gf c Y c d f X c d e d gc d Z a Z k D?Y gA B CD9:;$9:d e Y GX f f k c d f X u d g kc d c e Y g X c X Z Y a f X$c d e d gGd c Z g Z c Y X yd a a t X d u

5、 Z d a d c e X t e Z t d e c X d f D dg X Y Gd c d e fZ b 9:;$9:t Z yg d e fY e d d c yd d#D E.F G/Y gc d f Y t d X f X e e d l a Y e D9:;$9:t Y e c X a d f yd e d X Z e t Z e Y c d gX c Z9 H?It Z a k Gd e GY$c e X z Z GZ d d Z l f a kc e Z l f Z a l c X Z a d g d gt e Z d f fc Zb Z e G 9:;$9:J 9 H?

6、I#$%Z Gt Z f X c dc X b X a Gf D dd b b d c f Z b c d d e Y GX GY f f b e Y c X Z Y gt Z a X d a d c e X b X d a gZ c d t X d u Z d a d c e X Y gg X d a d$c e X t e Z t d e c X d fZ bc dt X d u Z d a d c e X Z Gt Z f X c d fyd e df c l g X d g D de d f l a c ff Z y c Y cc dt X d u Z d a d c e X t e

7、Z t d e c X d fZ b c d Z Gt Z f X c d f Z l a g dX Gt e Z j d gd b b d c X j d a kc e Z l Z Z f X c d d e Y GX f Z c Y X X d c c d e t X d u Z d a d c e X t e Z t d e c X d f Y f c db X a a d e D d f Y Gd d b b d c f Y d GY g d yX c c d X e d Y f X Z b 9:;$9:GY f f b e Y c X Z Y gt Z a X b X d a g D

8、|!q o!9:;$9:,f Z a X gf c Y c df X c d e d gc d Z a Z k,t X d u Z d a d c e X Z Gt Z f X c d f,f Z a l c X Z a d g d gt e Z d f f将具有强压电效应的压电陶瓷与柔性良好的压电聚合物按一定的连通方式一定的体积或质量比例一定的空间几何分布进行复合/可以使两种材料优势互补/获得既具有较强压电性又具有良好韧性的综合性能优异的压电复合材料0它在传感器换能器驱动器和水听器等许多领域具有潜力巨大的应用前景/已经引起了人们极大的兴趣0尤其是#$%型压电复合材料由于具有柔软性易于加工成型

9、和制复 合 材 料 学 报Lm LCL W LBm w C9 w A W LBA W;W m L第-卷第%期#月)#)年HZ a D -;Z D%$l d)#)万方数据备工艺简单等优点而得到了广泛的研究!#$%&不过#常用的压电陶瓷主要为一元或二元系压电陶瓷如()*+,-(./01)*213+,及其少量掺杂物等#选择范围较窄#宜进一步探讨多元系压电陶瓷与压电聚合物之间的复合&此外#由于4 5,型压电复合材料中压电陶瓷相主要以颗粒状呈弥散均匀分布#其电场通路的连通性较差#难以有效极化#复合材料的压电性能普遍较低#有待于进一步提高&由于压电复合材料的压电性能与各组份.尤其是压电陶瓷相3的性能密切相

10、关#因此选用压电活性更高的压电陶瓷粉末进行复合#应该可以有效地提高压电复合材料的压电性能&我们采用固相烧结法合成了高压电活性的/65 /)三元系陶瓷粉末#并与压电聚合物 78 9进 行 复 合#制 备 了 压 电 性 能 良 好 的/65 /):78 94 5,型压电复合材料#并研究了/65 /)质量分数和极化电场等因素对该压电复合材料压电和介电性能的影响&;实验部分;压电陶瓷粉末的制备选择如下配方=(4?A4 4,./B:,6($:,34 ,/04 ,C)*4 ,+,#按 配 比 精 确 称 量(,+D-A$+,-?/B+E$F+$ED G$+-6($+?-/0+$-)*+$#放入球磨罐中用

11、湿法球磨 4H#烘干压片后在I?4J预烧$H#使配料之间的化学反应充分进行以合成钙钛矿主晶相&经粉碎过筛后再湿法球磨$DH#烘干-干压成型#在$?4J保温烧结$H&一部分烧结试样进行抛光-锻烧银浆上电极等工艺#极化后进行性能测试&另一部分试样则再次粉碎过筛-球磨$DH#烘干后备用#并进行了测试分析&;K压电复合材料的制备实验中采用上海有机氟材 料 研 究 所 生 产 的 78 9.聚偏二氟乙烯3作为聚合物基体#加入适量丙酮作为溶剂将该聚合物完全溶解#然后掺入适当质量的/65 /)陶瓷粉#充分搅拌均匀&为了促进/65 /)粉末在 78 9胶状液中的均匀分散#在制取薄膜前用超声波处理H&对共混物进

12、行适当加热处理使之成膜#然后在 L 4J-$4M A的条件下进行热压#从而制得/65 /):78 9复合材料薄膜.厚约?4N O3&用较稀的银浆在试样两面均匀地涂成电极后#在硅油浴中进行极化#极化温度为$4J#极化电场为?P$?M7:O#极化时间为4?H&;Q测试分析用8 MRS 5 T 5 F型S射线粉末衍射仪.日本T U V RWX公司3.F YZ射线#4?D IB O3分析/65 /)预烧和烧结粉样的晶相&用 _ M5?I 4 4型扫描电镜仪.日本日立公司3观察烧结粉样的形貌-粒径及/65 /):78 9压电复合材料的断面形貌&用/5$型准静态测试仪.中科院声学所3测量/65 /):78

13、 9压电复合材料的压电应变常数,值&复合材料的自由电容a)和介质损耗角正切值b A B c则采用D 4 R T F测试仪.天津津深科技开发公司3直接测量&相对介电常数d0通过下式求得=d0D a)ef g$d4#式中=e 2所测试样的厚度h g 2所测试样的直径h d42真空介电常数&K结果与讨论K ;压电陶瓷粉末的i j k分析对/65 /)预烧粉-二次预烧粉和烧结粉进行S 5衍射测试#分析所制粉末的结晶程度-晶体结构及其纯度等&图是一次预烧粉-二次预烧粉和烧图预烧及烧结处理的/65 /)粉末的S T 8图9*l S T 8m A b b n 0 B o p q /65 /)m 0 n r

14、A s r*B n tA B to*B b n 0 n tm p ut n 0 o结粉的S T 8图谱&从图中可以看出#/65 /)预烧粉中已形成钙钛矿主晶相#衍射峰强度大且基线很低#说明结晶比较完全#但预烧粉中仍存在一些焦录石相.(,6(D+,3#其相对含量高达 vh经过二次预烧后#/65 /)粉末得到进一步结晶和相转变#焦录石相的含量大大减少#仅占Dv&经过$?4J高温烧结后则制得了纯钙钛矿结构的/65 /)陶瓷晶粒&K K压电陶瓷粉末和压电复合材料的w x y分析用 _ M5?I 4 4型扫描电镜仪观察/65 /)颗ECE李小兵#等=/65 /)压电陶瓷及其 78 9压电复合材料的制备和

15、性能万方数据表!#$%#&#&压电陶瓷的压电和介电性能&()*+!,+-.+*+/0 1,/(2 33,+*+/0 1,/4 1.4+1 0,+5.6#$%#&(2 3#&4,+-.+*+/0 1,/+1(7,/58 9:;?9 :A B9 CD 9 E?:FG :C CHI IJK G L MNOPQHI PJ K G L MNOPQRGRI PSB?A E TU8 V NW 8 V XX A F 9?9 E A=C 9 E?:FB:?Y FZ Z Z _ Z _ I _ _ I Z I I8 V NW 8 V Xa?W G :C C 9 E bC 9 E?:FB:?Y F c cI _ c

16、 _ I d Z P _ c _ I d d8 V XX A F 9?9 E A=C 9 E?:FB:?Y b A G Y C p 8 V NW 8 V XG?r :BG?:A B9 BA C C p A?9 E EHI I BG C 9?:8 V X J 8 ef g复合材料的HI I值随之增大j在陶瓷含量 q?mk q?m之间h HI I值增加较快j当8 V NW8 V X含量为 q?m时h材料的HI I值达到I ZG L J Nj此时h 8 V NW 8 V X J 8 ef g复合材料薄膜的柔韧性较好h可以适当地弯曲jMcM复合材料学报万方数据表!部分#$型压电复合材料的压电和介电性能

17、%&()!*+),-)()./0+.&1 22+)()./0+.3 0-3)0/+)4-5#$3+),-)()./0+.-63-4+/)47 8 9:8;7?9 B=CD 8 E FGCH IJK9LMNOP PCH:7 KQLMNR?=B ST U?B A V W X YPC V H JZ X?N _ _ a b c a _ a c a c P d b eV W X YPC V H JZ X Nf bM b a cP c a gP _ a _c a c M Pd f eV W X YPC V JZ h c c a c b a c b a cd h eV JZ 是目前应用最为广泛的一种压电聚合

18、物i但它只能在经过拉伸的情况下才具有良好的压电活性i然而压电复合材料在掺杂了大量压电陶瓷粒子后韧性降低i难以对其进行拉伸i因此V JZ 基复合材料的压电性能主要取决于压电陶瓷的压电活性及其高含量j众多研究d P i e表明i对于c P型压电复合材料i压电陶瓷的体积百分含量只有超过b c FH质量分数在_ c F左右N时才能获得较好的压电性能j由于压电陶瓷的介电常数H数百或数千N比聚合物H数十i甚至小于M c N要大很多i当压电陶瓷粒子均匀分散于聚合物基体中时i其表面被包裹了一薄层聚合物i对c P型压电复合材料进行极化时i所施加的外电场大部分被聚合物所消耗i只有一小部分作用于压电陶瓷并使之发生部

19、分极化i因而降低了极化效率i压电陶瓷的压电活性未能充分发挥出来i压电复合材料的压电性能较低j国内外部分研究学者所制备c P型压电复合材料的压电和介电性能如表所示j为了提高c P型压电复合材料的压电性能i一方面可以进一步提高极化电压或极化温度i但这一方法受到了压电复合材料本身的限制i在制备压电复合材料的过程中容易产生气泡等各种缺陷i提高极化电压或温度极易引起材料的击穿j另一方面是采用压电活性更高的压电陶瓷粒子作为填充物i因为对于压电复合材料而言i其压电性能主要取决于压电陶瓷的压电活性i压电陶瓷的性能越好i复合材料的性能也必定能得到有效提高j当然i采取适当措施提高压电复合材料结构的均匀性以减少缺陷

20、i也能提高材料的性能j!a k极化电场对压电复合材料压电性能的影响极化工艺是制备压电材料的一个关键工序i其中极化电场的选择是影响压电材料性能的一个重要因素j为了使材料的压电特性充分发挥出来i对压电材料施加的外电场必须超过矫顽场强数倍i并在适当温度下保持相当长的时间j在同样的极化温度和极化时间下i极化电场越高i电畴越易趋于定向排列i极化效果越好j由于压电聚合物需要非常高的极化电场i c P型压电复合材料难以得到有效极化i再加上材料在制备工艺中产生的各种缺陷限制了极化电场的提高i因此其极化电场的选择更为重要j我们采用了油浴极化工艺对V l Q V l X C V JZ 复合材料进行极化i极化电场由

21、bIJC 9到 bIJC 9i其它条件统一为m温度M cni时间c a bo j复合材料的OP P值与极化电场的关系如图所示j从图中可以看出i随着极化电场的逐渐增加i材料的压电常数值也呈非线性增大i但在极化电场达到 c p bIJC 9时OP P值增大趋势放缓j图极化电场对V l Q V l X C V JZ 复合材料OP P值的影响 A=8 U:8 E B qU E r8 BOP P8 UV l Q V l X C V JZ A 8 9:8;!a s陶瓷质量分数对压电复合材料介电性能的影响压电陶瓷的介电常数和介电损耗太大i影响了其在某些特定领域的应用j将压电陶瓷与介电性很低的聚合物复合i可将

22、材料介电性适当降低i并且通过控制陶瓷的用量尚可对压电复合材料的介电性能进行有效设计i得到综合性能良好的压电复合材料i有益于扩大其应用领域j我们制备了不同组分的c P型压电复合材料i并在室温t Mu vw条件下测定了它们的介电常数和介电损耗j图b是V l Q V l X C V JZ 压电复合材料的介电常数和介电损耗与陶瓷质量分数的关系曲线图j从图中可知i随着压电陶瓷含量的KPhK李小兵i等mV l Q V l X压电陶瓷及其V JZ 压电复合材料的制备和性能万方数据增加!复合材料的介电常数和介电损耗均呈增大趋势!其 中#$%值 的 变 化 较 小!由&(&增 加 至&)*!而+,值则增大很快!

23、由-&增加到了.&/图*陶瓷质量分数对0 1 23 0 1 4 5 0 67 8复合材料介电性能的影响8 9:*;?=,#A9 A#?9$B 9=C=,9 D,D=,9=?AD?9 =?E结论F.G采用固相烧结法合成了&H 0 1 23&I 0 1 4三元系压电陶瓷粉末!烧结粉末为纯钙钛矿结构!预烧 粉和二次预烧粉均含有少量杂质F如焦录石相等G!颗粒粒径在&*J(K A之间!颗粒形态不太规整/F-G&H 0 1 23&I 0 1 4陶瓷F常压烧结G具有优良 的压电性能L MH HN*O*D P5 2!MH.N-*)D P5 2!QDN&*O!#$%N&-(!+,NH*H H!RAN)&(/F

24、H G采用溶液混合法制备了0 1 23 0 1 4 5 0 67 8&3 H型压电复合材料!内部结构比较均匀!取得了良好的压电性能F当0 1 23 0 1 4含量为O&S T时G LU N(*(.V:5 AH!MH HNH*D P 5 2!#$%N&)!+,NW&/增加0 1 23 0 1 4质量分数X提高极化电压均有利于复合材料压电性能的提高/参考文献LY.Z 7 9#?P$,:#$9 =,#A9 5 D C A=,9 AD?9 =C=3,=?Y Z _ _ _ a b c d b e f g h c d h cig j k j e f a g e d b c M_ k j e f a g

25、e b k c d l k b 3f g h c!.W W)!H F*G LI&)mI H(Y-Z王树彬!徐廷献!韩杰才!等0 1 4 5 0 67 8压电复合材料的制备及其性能研究Y Z 复合材料学报!-&!.I F(G L.m*Y H Z朱嘉林!王丽坤!张福学&3 H型压电复合材料的硬球无规堆积模型Y Z 压电与声光!-&!-F(G L-I H m-I)Y(Z P n 9 Po!p#n:q A#$rs!t u#C 1!j f b k AD,v=BD 9=w =C=,9?#9$?u#?=B$#C 9 n A3 A B 9 9=BC=#B 9 3#$#=5 D C F v 9$C 9 B=$=

26、AD?9 =?Y Z x j c d h a d b c My e 3f l b f h a d y!.W W O!)*F.G LI)mO*Y*Z陈王丽华!蔡忠龙0 4 5 0 F 67 8 3 4,8;G复合材料的压电和热释电性能Y Z 压电与声光!.W W I!.W F(G L-(I m-*H Y)Z朱嘉林!王丽坤!张福学大面积水听器用&3 H型压电复合材料的制备Y Z 压电与声光!.W W W!-.F*G L H O&mH O H Y I Z孙进喜压电复合材料的工艺Y Z 压电与声光!.W W-!.(F-G L-O mH-z(Iz复合材料学报万方数据PZN-PZT压电陶瓷及其PVDF压电

27、复合材料的制备和性能PZN-PZT压电陶瓷及其PVDF压电复合材料的制备和性能作者：李小兵，田莳，李宏波作者单位：北京航空航天大学,材料科学与工程学院,北京,100083刊名：复合材料学报英文刊名：ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA年，卷(期)：2002,19(3)被引用次数：27次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.孙进喜 压电复合材料的工艺 1992(02)2.朱嘉林;王丽坤;张福学 大面积水听器用0-3型压电复合材料的制备期刊论文-压电与声光 1999(05)3.陈王丽;蔡忠龙 PT/P(VDF-TrFE)复合材料的压电和热释电性能 1997(04)4.Cu

28、i C X;Baughman R H;Iqbal Z Improved piezoelectrics for hydrephone applications based oncalcium-modified lead titanate/poly(vinylidene fluoride)composites外文期刊 1998(01)5.朱嘉林;王丽坤;张福学 0-3型压电复合材料的硬球无规堆积模型期刊论文-压电与声光 2000(04)6.王树彬;徐廷献;韩杰才 PZT/PVDF压电复合材料的制备及其性能研究期刊论文-复合材料学报 2000(04)7.Dias C J Inorganic cera

29、mic/polymer ferroelectric composite electrets外文期刊 1996(05)引证文献(27条)引证文献(27条)1.徐合.冯兰平.谌小奇 陶瓷粉体粒度对PZN-PZT/PVDF压电复合材料性能的影响期刊论文-佛山陶瓷 2008(3)2.戴雷.胡珊.郑辉.王少博 0-3型PZN-PZT/PVDF压电复合材料的制备工艺条件优化期刊论文-材料科学与工程学报 2008(2)3.戴雷.胡珊.郑辉.晏海霞 铅含量对0-3型PZN-PZT/PVDF压电复合材料性能的影响期刊论文-中国陶瓷 2007(8)4.胡珊.沈上越.戴雷.黄焱球 炭黑改性PZN-PZT/PVDF压

30、电复合材料的制备与性能期刊论文-化工新型材料2007(12)5.戴雷.胡珊.徐合.王少博 KH570对PZN-PZT/PVDF压电复合材料性能的影响期刊论文-表面技术 2007(5)6.曹树谦.高健 压电层合圆板的非线性动力学模型与主共振响应期刊论文-天津大学学报 2007(2)7.戴雷.胡珊.周莉.晏海霞 压电陶瓷PZN-PZT对压电复合材料性能的影响期刊论文-佛山陶瓷 2007(6)8.徐任信.陈文.周静 聚合物电导率对0-3型压电复合材料极化性能的影响期刊论文-物理学报 2006(8)9.于春红.常钧.李宁.程新 压电陶瓷/硫铝酸钡钙矿物复合材料的压电性能期刊论文-济南大学学报（自然科学

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