[发明专利]一种压电陶瓷-聚合物复合材料的制备方法及压电陶瓷-聚合物复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及压电材料和相关压电换能器领域，具体涉及一种压电陶瓷-聚合物复合材料的制备方法及相关的压电陶瓷-聚合物复合材料。

背景技术

压电材料具有能使机械能和电能之间的相互转换的正逆压电效应，其中应用最广的压电材料是压电陶瓷，其压电性能优异，是各类微电机系统、声学换能器和传感器等的核心工作材料。但是压电陶瓷密度大、声阻抗高、与人体和水的声阻抗匹配差，这严重影响了其在水声换能器和医用超声成像中的应用。

压电复合材料是在有机聚合物基底材料中以不同方式嵌入无机压电陶瓷材料而制成的压电材料。这种复合材料具有比纯压电陶瓷低得多的声阻抗，从而与水和人体组织具有较好的声阻抗匹配。而由于压电陶瓷比聚合物大得多的弹性模量，这类压电复合材料在受力时，应力容易集中在压电陶瓷相上。因此，尽管聚合物材料不具有压电性，但陶瓷材料受力增加致使该复合材料整体的压电性几乎与单相陶瓷材料相当。另外，由于压电复合材料中陶瓷体被分隔成小块，其横向振动模式被大大削弱，因此其具有较单一的厚度振动模式，相应器件信噪比高。所以，复合材料同时具有较高的压电常数、较高的机电耦合系数、与人体和水较好的声阻抗匹配、较大水声优值以及耐冲击、不易受损等系列优点，已在水声和超声医学等领域得到广泛应用。性能最好的压电复合材料是陶瓷和聚合物并排排列的2-2模式和陶瓷柱周期排列在聚合物中的1-3模式复合材料。

压电复合材料常用切割填充法制备，就是将压电陶瓷先切成底座相连的陶瓷片或柱阵列，再灌入聚合物树脂固化并切掉底座而制成。然而，这种陶瓷切割填充方法具有如下问题：

（1）陶瓷硬而脆的特性，接触式机械切割制备操作繁琐困难，材料易破损，从而导致器件性能恶化；

（2）需要特殊工艺控制陶瓷的微晶结构来提高机械性能，避免切割破损；

（3）因大面积（如圆片直径在8cm以上）陶瓷基片制备需要更大的压力而制备非常困难，导致声学换能器等所需的大面积2-2或1-3复合材料制备困难。

发明内容

为了解决上述难题，本发明提供了一种压电陶瓷-聚合物复合材料的可靠新型制备方法。所述的方法包括将陶瓷粉体、分散剂和固化剂体系加入水中混合，引发反应制得强度大于15MPa的压电陶瓷干凝胶素坯，再进行切割、烧结，然后填充聚合物。

该方法包括以下三个步骤：

1）将压电陶瓷粉体、分散剂、有机单体、交联剂和水充分混合，得到高固相含量且低粘度的陶瓷浆料，其中，压电陶瓷粉体占浆料体积的45vol%～53vol%；

2）真空排气泡后，加入引发剂和催化剂，在一定温度下使陶瓷浆料发生凝胶反应而固化得到强度大于15MPa的压电陶瓷素坯；

3）采用常用激光将步骤2）中的压电陶瓷素坯进行切割，之后烧结并填充聚合物，等聚合物固化后切掉底座，得到压电陶瓷-聚合物复合材料。

所述有机单体包括丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰胺（MAM）、二甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）等可发生自由基聚合并可生成凝胶的有机单体小分子；交联剂包括N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）、N，N’-（1,2-二羟乙烯基）双丙烯酰胺（DHEBA）；所述引发剂为过硫酸盐（过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸），但主要使用过硫酸铵。所述催化剂为四甲基乙二胺；其中，有机单体含量占浆料中水质量的10～45%，交联剂含量占水质量的3～15%，交联剂与有机单体比例为1：3～1：10，引发剂含量为10～30μg/100mL浆料；催化剂含量为20～50μl/100mL浆料。所述凝胶反应的温度范围可以从室温到80℃变动，温度越高，反应时间越短。

所述分散剂并不依赖特定分散剂的选择，只要分散剂可以使得陶瓷粉体在浆料中均匀分散即可，优选自聚丙烯酸盐（聚丙烯酸钠和聚丙烯酸铵）、聚甲基丙烯酸盐（聚甲基丙烯酸钠和聚甲基丙烯酸铵）、马来酸酐丙烯酸共聚物、四甲基氢氧化铵、柠檬酸铵、偏磷酸钠中的一种。为了取得更好的分散效果，可以针对不同的粉体选择相应的分散剂和合适用量。如锆钛酸铅粉体选择柠檬酸铵、铌酸钾钠粉体选择聚丙烯酸钠等。

在本发明中，对于高固相含量低粘度的陶瓷浆料，其固相占总浆料的体积分数在45～53Vol%，粘度为无外压可自流动状态。在保证浆料流动性的前提下，陶瓷粉的固相体积分数越高越好。在陶瓷粉体体积分数50～53Vol%时，所制得的陶瓷密度与常规干压法所制陶瓷密度相当，而压电片的压电常数也类似。