PDF《电泳辅助制备伪 1-3 陶瓷/聚合物压电复合材料∗》

2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 027701-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

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027701 导致其难以被电极化, 因此0-3陶瓷/聚合物复合材 料的压电和介电常数都远远低于压电陶瓷. 1-3 陶瓷/聚合物复合压电材料是通过把压电 陶瓷纤维或者压电柱状样品阵列式地排布在有机 聚合物基体中制备而得. 在这类复合材料中, 由于 压电陶瓷纤维贯穿有机聚合物基体, 材料可以得到 充分极化, 因此其压电和介电性能远远优于 0-3 复 合材料. 然而, 压电陶瓷纤维制造成本非常高, 同 时制备 1-3 复合材料需要非常复杂的工艺, 这大大 制约了其在实际器件中的应用[15] . 因此, 设计并制 备出具有良好的压电和介电性、 工艺简单并且成本 低廉的陶瓷/聚合物复合压电材料是迫切需要的. 电泳效应指放置于液体或胶体中的极性或非 极性固体颗粒在电场中移动的现象. 颗粒在电场 中被部分极化, 变成一个感生电偶极体, 在电场的 作用下, 其可以发生定向移动. 电泳效应早先主要 是被广泛应用于溶液中带电粒子的分离技术中 [16] , 它主要是利用不同带电粒子在电场中移动速度的 差异来进行分离. 近几年, 基于电泳效应的操控技 术引起了极大的关注, 人们已经开始利用预先设置 的电极结构产生的可控电场来实现对纳米材料的 定向排列及自组装 [17?19] . 还用于取向碳纳米管在 有机液体中的取向排列 [20,21] . 利用电泳技术使得 粒子在溶液或胶体中取向排列是一种非常重要的 颗粒排列技术, 它具有操作简单、 成本低、 颗粒取向 排列效果理想等优点. 本文在制备传统的 0-3 陶瓷/聚合物复合压电 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陶瓷/聚合物复 合压电材料, 并从理论和实验上研究对比了传统的 0-3复合和伪1-3复合材料的压电、 介电和铁电性能.

2 理论分析 0-3 复合压电材料的介电常数 (ε0-3) 和压电系 数(d0-3

33 ) 随着压电陶瓷体积分数的变化, 可以近似 地通过Furukawa模型[22] 来估计: ε0-3 =

1 + 2?

1 ? ? εp, (1) d0-3

33 = 15? (2 + 3?)(1 ? ?) εp εc dc 33, (2) 其中 εp 和εc 分别是聚合物和压电陶瓷颗粒的介电 常数, ?是PZT的体积含量分数, dc

33 是压电陶瓷颗 粒的压电系数. 1-3 复合材料的介电常数 (ε1-3) 和压电系数 (d1-3

33 ) 近似地与压电陶瓷的体积含量成正比[12] , 即ε1-3 = ?εc, (3) d1-3

33 = ?dc 33. (4) 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陶瓷/聚合物复合压电材料, 如图

1 所示. 图1从0-3 复合到伪 1-3 复合图示 对采用电泳技术制备的伪 1-3 复合材料, 我们 定义取向因子 K (0 <

K <

1). 伪1-3 复合材料可 以被近似看成是由部分 0-3 复合材料与部分 1-3 复 合材料组成的. 从方程 (1) 和(3), 伪1-3 复合压电 材料的介电常数(εpseudo1-3 )可表示如下: εpseudo1-3 = (1 ? K)

1 + 2?

1 ? ? εp + Kεc?. (5) 在理论上, 伪1-3 结构可以被看成是陶瓷/聚 合物呈现 2-2 复合结构作为 1-3 复合压电材料中的

1 . 其压电系数(dpseudo1-3

33 )表达如下: dpseudo1-3

33 = ρc? ρp(1 ? √ ?) + ρc √ ? dc 33, (6) 这里 ρc 和ρp 分别是压电陶瓷和环氧树脂的密度. PZT-5 陶瓷的相对介电常数、 压电常数和密度分别 为1100,