獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法
【專利摘要】本發明的目的在于提供獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法，將壓電陶瓷粉過篩子得到粒徑大于或等于350μm及粒徑小于350μm的壓電陶瓷粉；將步驟粒徑小于350μm的壓電陶瓷粉和炭黑分散在80℃的乙醇溶液中攪拌，直至乙醇溶液完全揮發完畢；將粒徑大于或等于350μm的壓電陶瓷粉和碳納米管導電漿料加入無水乙醇攪拌，直至無水乙醇完全揮發完畢；將上述得到的兩種混料在干燥箱中加熱攪拌，得到混合物料；將混合物料注入模具壓實成型，在室溫下拋光處理，采用低溫導電銀漿涂覆在表面，形成電極；將電極放入硅油中極化，即得到瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料。本發明極化更加充分，并保證了顆粒間測連通性和材料的整體性。
【專利說明】
獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及的是一種壓電材料的處理方法。
【背景技術】
[0002]隨著智能感知材料的高速發展，高性能傳感器為健康監測系統的發展提供了嶄新的途徑，健康監測已經成為諸多領域的前沿研究方向。瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料指以瀝青為基體相，壓電陶瓷粉為壓電相混合制備的壓電復合材料。用于道路健康監測，可實現監測道路健康狀況的準確性和實效性，同時也保證了傳感器系統與道路的兼容性與匹配性，延長傳感器的使用壽命，為道路健康提供保障。
[0003]極化是制備瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料的關鍵工序之一，制備的壓電復合材料經人工極化才具有壓電性。壓電材料的微結晶的結晶軸方向是自發生成的，取向雜亂，但因為鐵電體在居里點以下發生疇結構，所以鐵電復合物是疇的微結晶集合體。外加微小電場，各個疇的壓電效應相互抵消，因此整個壓電復合物的疇變所產生的壓電效應是不明顯的。為了使壓電復合材料試樣的壓電性能得到充分發揮和提高，需要對試樣進行電極化。在復合材料兩端加一個足夠高的直流電場，迫使復合材料內部的陶瓷發生電疇轉向和聚合物發生極化定向排列。在一定的極化溫度和極化時間條件下，足夠高的極化電場強度直接影響復合材料的壓電響應。
[0004]由于壓電陶瓷粉的介電常數遠遠大于瀝青基體的介電常數，即使很高的極化電壓也無法使壓電顆粒上產生較高的電壓;而過高的極化電壓增大了介電損耗甚至擊穿試件，極化不充分，無法充分發揮壓電材料的壓電性能。瀝青具有流動性，加入瀝青使陶瓷顆粒間產生了間隔，陶瓷顆粒沒形成直接搭接或有效搭接，對極化造成困難;一定溫度下瀝青將軟化，過高的溫度會破壞材料的完整度，因此無法通過高溫手段促進極化程度。
[0005]現有對瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料的研究還處于起始階段，制備工藝還不夠成熟。目前的瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料制備工藝還僅限于將瀝青與壓電陶瓷粉混合均勻，只關注壓電材料從宏觀上體現的壓電效應，沒有考慮到粒徑分布對壓電效應的影響，而且研磨的越充分，瀝青將壓電陶瓷粉隔離的越徹底。因此有必要加入具有導電性能的媒介將陶瓷顆粒連通起來，且使瀝青隔層能有效地傳遞電流到陶瓷顆粒表面，極大地促進極化程度。粒徑大的陶瓷顆粒具有更好的壓電響應，研磨時應優先考慮其有效極化。
[0006]炭黑具有表面積大、孔隙率小和導電性能良好的特點。向導電陶瓷中加入炭黑可以有效地增大材料內部陶瓷顆粒電壓，達到增強極化效果。炭黑與壓電陶瓷粉混合時大部分與粒徑較小的陶瓷粉均勻混合而且粒徑搭配混合情況較好，粒徑較大的陶瓷顆粒處于裸露狀態，沒有達到最優的混合狀態，而且粒徑大的壓電陶瓷粉具有更大的壓電響應，故應增加大粒徑陶瓷粉的通電率;碳納米管具有良好的導電性能，電導率通常可達到銅的I萬倍。大粒徑的壓電陶瓷粉與碳納米管NMP漿料混合，可完全包裹大粒徑的陶瓷顆粒，大大增加了顆粒間和小粒徑陶瓷粉的通電作用，漿料液態的特性也使材料研磨后粒徑分布均勻，填充顆粒間隙使材料更密實，避免由于孔隙對極化過程造成的影響。需要適量地加入炭黑和碳納米管漿料，過多的炭黑和碳納米管漿料會加大材料的電導率，致使遺漏電流而降低極化程度，甚至使材料上、下表面形成聯電而擊穿材料。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供使得極化更加充分、并能保證整體性的獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法。
[0008]本發明的目的是這樣實現的:
[0009]本發明獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法，其特征是:
[0010](I)按重量份數稱取20?50份瀝青、500?900份壓電陶瓷粉、不大于2份的炭黑和不大于2份的碳納米管導電漿料；
[0011](2)將500?900份壓電陶瓷粉過40?50目篩子得到粒徑大于或等于350μπι的壓電陶瓷粉及粒徑小于350μπι的壓電陶瓷粉；
[0012](3)將步驟(2)中粒徑小于350μπι的壓電陶瓷粉和不大于2份的炭黑分散在80°C的乙醇溶液中，在磁力攪拌器中連續攪拌，直至乙醇溶液完全揮發完畢;將步驟(2)中粒徑大于或等于350μπι的壓電陶瓷粉和不大于2份的碳納米管導電漿料在室溫狀態下加入無水乙醇攪拌，直至無水乙醇完全揮發完畢；將上述得到的兩種混料在干燥箱中加熱至150°C在攪拌速度為180rpm下攪拌5min，得到混合物料；
[0013](4)將步驟(3)中得到的混合物料注入模具壓實成型，在室溫下拋光處理，采用低溫導電銀漿涂覆在表面，形成電極；
[0014](5)將電極放入30?60°C娃油中，在電場強度為1.5kV/mm?5kV/mm下極化3?15min，即得到瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料。
[0015]本發明還可以包括:
[0016]1、所述的炭黑為導電槽黑或乙炔炭黑。
[0017]2、所述的碳納米管導電漿料為碳納米管NMP導電漿料。
[0018]本發明的優勢在于:
[0019]1、本發明以炭黑和碳納米管漿料作為導電材料，在極化過程中作為媒介將電流均勻地傳到壓電陶瓷顆粒表面，使極化更充分，獲得了良好的效果；
[0020]2、根據壓電陶瓷粉粒徑的不同，將導電材料分別與兩種粒徑的陶瓷粉均勻研磨，有效地將電流傳遞到壓電陶瓷顆粒表面，極大地促進極化程度；
[0021 ] 3、碳納米管漿料液態的特性使材料研磨后粒徑分布均勻，填充顆粒間隙增加材料密實度。
[0022]根據本發明制得材料的壓電應變常數與按一般工藝制得材料的壓電應變常數比較可以看出，相比于一般工藝，加入炭黑和碳納米管漿料的材料極化時極化電壓明顯降低，并且極化后可以得到更大的壓電應變常數d33、更高的機電耦合系數和更小的介電損耗，表明瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料經本發明所述方法極化可使極化更充分，得到更好的壓電響應。
【具體實施方式】
[0023]下面對本發明做更詳細地描述:
[0024]瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料的制備工藝為:(1)過篩:將500?900份壓電陶瓷粉過40?50目篩子得到200?400份粒徑大于350?400μπι的壓電陶瓷粉及250?520份粒徑小于350?400μπι的壓電陶瓷粉；(2)混料:將步驟二中粒徑小于350?400μπι的壓電陶瓷粉和O?2份炭黑分散在800C的高濃度乙醇溶液中，在磁力攪拌器中連續攪拌，直至乙醇溶液完全揮發完畢。將步驟二中粒徑大于350?400μπι的壓電陶瓷粉和O?2份碳納米管導電漿料在室溫狀態下加入適量無水乙醇攪拌，直至無水乙醇完全揮發完畢。將兩種混料在干燥箱中加熱至150 0C在攪拌速度為180rpm下攪拌5min，得到混合物料；(3)成型并粘結電極;首先將步驟三中得到的混合物料注入模具壓實成型，然后在室溫下拋光處理，最后采用低溫導電銀漿涂覆在表面，形成電極；(4)極化:將待極化材料放入30?60°C硅油中，在電場強度為
1.5kV/mm?5kV/mm下極化3?15min。
[0025]其中，炭黑為導電槽黑或乙炔炭黑中的一種，碳納米管導電漿料為碳納米管NMP導電漿料。
[0026]本發明制備的瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料突破傳統的制備工藝。從材料的角度出發，在不影響材料內部結構的情況下，增強壓電陶瓷顆粒間的導電聯系，減小瀝青對顆粒的隔離作用;從制備手法的角度出發，不是傳統意義地將瀝青與壓電陶瓷粉均勻混合，而是將兩種粒徑的陶瓷粉分別與兩種形態的導電材料混合，最后得到的混合物料中粒徑分布更均勻，不同粒徑的壓電陶瓷粉充分發揮其壓電性能。利用本實施方式制備的瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化時更充分，宏觀上直接體現更好的壓電響應。
[0027]采用下述試驗驗證本發明效果:
[0028]試驗一:利用本發明方法通過以下步驟制備瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料:一、準備材料:按重量份數稱取28份瀝青、871份壓電陶瓷粉、0.5份炭黑和0.5份碳納米管導電漿料;二、過篩:將871份壓電陶瓷粉過42目篩子得到349份粒徑大于355μπι的壓電陶瓷粉及525份粒徑小于355μπι的壓電陶瓷粉;三、混料:將步驟二中粒徑小于355μπι的壓電陶瓷粉和0.5份炭黑分散在80 0C的高濃度乙醇溶液中，在磁力攪拌器中連續攪拌，直至乙醇溶液完全揮發完畢。將步驟二中粒徑大于355μπι的壓電陶瓷粉和0.5份碳納米管導電漿料在室溫狀態下加入適量無水乙醇攪拌，直至無水乙醇完全揮發完畢。將兩種混料在干燥箱中加熱至150°C在攪拌速度為180rpm下攪拌5min，得到混合物料；四、成型并粘結電極;首先將步驟三中得到的混合物料注入模具壓實成型，然后在室溫下拋光處理，最后采用低溫導電銀漿涂覆在表面，形成電極；五、極化:將待極化材料放入40 °C娃油中，在電場強度為4kV/mm下極化lOmin。即得到瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料。
[0029]試驗一步驟一中所述的0.5份炭黑為乙炔炭黑。
[0030]試驗一步驟一中所述的0.5份碳納米管導電漿料為碳納米管NMP導電漿料。
[0031]試驗二:用一般工藝通過以下步驟制備瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料:一、準備材料:按重量份數稱取30份瀝青和872份壓電陶瓷粉;二、混料:將兩種物料在干燥箱中加熱至150°C在攪拌速度為180rpm下攪拌5min，得到混合物料;三、成型并粘結電極;首先將步驟二中得到的混合物料注入模具壓實成型，然后在室溫下拋光處理，最后采用低溫導電銀漿涂覆在表面，形成電極;五、極化:將待極化材料放入40 °C娃油中，在電場強度為4kV/mm下極化lOmin。即得到瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料。
[0032]性能檢測:
[0033]對通過本發明方法制得的瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料和通過一般工藝制得的瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料進行檢測，通過檢測可知，瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料的壓電應變常數d33分別為84pC/N和56pC/N，介電損耗TanS為1.9 X 10-2和4.8 X 10-2。由檢測結果可見，利用本發明工藝使瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化更加充分，得到更好的壓電響應。
【主權項】
1.獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法，其特征是: (1)按重量份數稱取20?50份瀝青、500?900份壓電陶瓷粉、不大于2份的炭黑和不大于2份的碳納米管導電楽料； (2)將500?900份壓電陶瓷粉過40?50目篩子得到粒徑大于或等于350μπι的壓電陶瓷粉及粒徑小于350μπι的壓電陶瓷粉； (3)將步驟(2)中粒徑小于350μπι的壓電陶瓷粉和不大于2份的炭黑分散在80°C的乙醇溶液中，在磁力攪拌器中連續攪拌，直至乙醇溶液完全揮發完畢;將步驟(2)中粒徑大于或等于350μπι的壓電陶瓷粉和不大于2份的碳納米管導電漿料在室溫狀態下加入無水乙醇攪拌，直至無水乙醇完全揮發完畢;將上述得到的兩種混料在干燥箱中加熱至150°C在攪拌速度為180rpm下攪拌5min，得到混合物料； (4)將步驟(3)中得到的混合物料注入模具壓實成型，在室溫下拋光處理，采用低溫導電銀楽涂覆在表面，形成電極； (5)將電極放入30?60°C娃油中，在電場強度為1.5kV/mm?5kV/mm下極化3?15min，即得到瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料。2.根據權利要求1所述的獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法，其特征是:所述的炭黑為導電槽黑或乙炔炭黑。3.根據權利要求1或2所述的獲得促進瀝青基壓電陶瓷壓電復合材料極化的制備方法，其特征是:所述的碳納米管導電漿料為碳納米管NMP導電漿料。
【文檔編號】B82Y40/00GK105837178SQ201610147562
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】呂建福, 孫雷, 毛繼澤, 楊凱, 尉天鳳
【申請人】哈爾濱工程大學