PDF《电泳辅助制备伪 1-3 陶瓷/聚合物压电复合材料∗》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 63, No.

2 (2014)

027701 电泳辅助制备伪1-3陶瓷/聚合物压电复合材料? 武峥1) 周嘉仪1) 曹艺1) 马柯1) 贾艳敏1)? 张以河2) 1)(浙江师范大学物理系及地理与环境科学学院, 金华 321004) 2)(中国地质大学材料科学与工程学院, 北京 100083) (

2013 年10 月7日收到;

2013 年10 月16 日收到修改稿 ) 1-3 压电复合材料的压电、 介电及铁电性能要远远优于 0-3 压电复合材料. 在制备传统的 0-3 复合材料过 程中引入电泳技术, 使得压电颗粒在聚合物基体中取向排列, 制备得到伪 1-3 复合材料. 实验结果表明: 在制 备PZT/环氧树脂 0-3 复合压电材料固化过程中, 采用

500 V/mm,

4 kHz 的电场对其进行电泳辅助取向, 可使 得颗粒呈现珍珠串状排列, 得到伪 1-3 复合材料;

其压电、 介电、 铁电性能均比原来的 0-3 复合材料有显著的提 高. 电泳辅助制备技术用于制备伪 1-3 复合压电材料具有操作简单、 成本低廉、 压电、 介电、 铁电性能显著提高 等优点, 在智能传感领域具有很好的实际应用前景. 关键词: 压电, 0-3复合, 伪1-3复合, 电泳 PACS: 77.84.lf, 77.65.Cj, 75.85.+t, 75.80.+q DOI: 10.7498/aps.63.027701

1 引言压电材料在智能传感领域具有很广泛的应用 前景, 例如: 力敏传感器件、 声波感知器等 [1?3] . 目 前最常用的压电材料是Pb(ZrxTi1?x)O3 (PZT) 陶 瓷及聚偏氟乙烯 (PVDF)有机厚膜材料[1?5] . 压电 陶瓷具有压电性能高 (d33 约550 pC/N)、 介电常数 大(500―3000)、 响应速度快 (? 微秒)、 机电耦合系 数高 (k33 约0.75)、 回滞小 (<

1%) 和制备成本低廉 等优点. 但是其声阻抗常数大、 耐冲击性能差, 使 其在应用领域受到了很大的限制 [6] . 压电聚合物 具有密度低、 柔韧性好、 声阻抗常数小等优点. 但是 其压电系数和机 -电耦合系数低、 压电和介电常数 小、 制作成本高, 使得其应用范围受到很大的限制. 为了克服压电陶瓷和有机聚合物各自的缺点, 人们 发展了陶瓷/聚合物复合压电材料以提高其压电、 介电等性能. 压电陶瓷/聚合物复合材料是由压电 陶瓷和高分子聚合物通过一定的复合工艺制备而 成的. 表1比较了压电陶瓷、 压电聚合物和压电陶 瓷/聚合物复合材料的声阻抗、 机电耦合系数、 介电 常数、 柔韧度、 成本等各项参数. 从表

1 中可以看出, 陶瓷/聚合物压电复合材料综合了压电陶瓷和聚合 物各自的优势, 具有良好的可塑性、 柔韧性、 低廉的 制作成本等优点[7,8] , 具有十分广泛的应用前景. 表1压电陶瓷、 压电聚合物和压电陶瓷/聚合物 复合材料各项性能比较 参数 陶瓷 聚合物 陶瓷/聚合物复合材料 声阻抗 高(?) 低(+) 低(+) 机电耦合系数 高(+) 低(?) 高(+) 相对介电常数 高(+) 低(?) 适中 (+) 韧性 脆(?) 柔韧 (+) 柔韧 (+) 成本 低(+) 高(?) 适中 (+) 注: + 表示性能优异;

? 表示性能欠佳 目前广泛应用的陶瓷/聚合物压电复合材料 主要有 0-3 复合结构、 1-3 复合结构两种类型 [9?14] . 0-3 复合压电材料主要是通过把陶瓷颗粒均匀地分 散在有机聚合物基体中固化后制备得到的. 其具有 制造方法简单、 成本低等优点. 但是这类复合材料 中压电颗粒之间被有机聚合物相充满, 间距很大, ? 国家自然科学基金 (批准号: 51002141) 和浙江省大学生科技创新活动计划新苗人才计划项目 (批准号: 2012R404016) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: [email protected] ?