[发明专利]一种高性能压电陶瓷复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料这一技术领域，特别涉及到一种高性能压电陶瓷复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的信息功能材料。压电陶瓷在机械 应力的作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即正压电效应。另外，压电陶瓷的自发极化也可以在外电场下发生改变，压电陶瓷极化强度的改变会导致压电陶瓷的伸长或收缩。这种由于电效应转变为机械效应的现象叫做逆压电效应。

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，但该类材料仍然存在着配方复杂，烧结工艺复杂，且在居里温度之前存在三方四方相变温度，温度稳定性差，严重影响了该类材料在实际应用中的使用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高性能压电陶瓷复合材料的制备方法，该方法采用将氮化硅、氧化铝、氧化钒铜混合后进行球磨处理，将球磨混合物置于乙二醇中，加入正硅酸乙酯、椰油酸二乙醇酰胺、聚乙烯醇缩醛，搅拌加热得到热反应混合液，再将热反应混合液陈化处理、调节pH后干燥得陶瓷浆料，最后将陶瓷浆料在模具中固化、脱模，得到坯料，再将坯料烧结得高性能压电陶瓷复合材料。制备而成的高性能压电陶瓷复合材料，其介电常数高、温度稳定性好，在水声和超声医学领域中具有较好的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高性能压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氮化硅50-60份、氧化铝25-35份、氧化钒铜10-20份混合，放入球磨机中球磨处理，得到球磨混合物；

（2）将球磨混合物置于乙二醇中，再加入正硅酸乙酯12-18份、椰油酸二乙醇酰胺8-12份、聚乙烯醇缩醛3-5份，边搅拌边加热至150℃，保持30 min，得热反应混合液；

（3）将热反应混合液在室温下陈化12 h，用3 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，随后置于80℃下干燥8 h，得陶瓷浆料；

（4）将陶瓷浆料加入到模具中进行固化，随后脱模，得到坯料，随后将坯料送入烧结炉，在1300-1500℃进行烧结，保温2 h，随炉冷却至室温后得到高性能压电陶瓷复合材料。

优选地，所述步骤（1）中球磨处理是在转速220-250 r/min下球磨3 h。

优选地，所述步骤（4）固化是在250℃、15MPa条件下进行60-80 min。

优选地，所述步骤（4）中，先将坯料预烧后再进行烧结，预烧温度为950℃，预烧时间为1.5 h。

进一步的，本发明还公开了所述的高性能压电陶瓷复合材料在水声和超声医学领域中的应用。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明的高性能压电陶瓷复合材料的制备方法采用将氮化硅、氧化铝、氧化钒铜混合后进行球磨处理，将球磨混合物置于乙二醇中，加入正硅酸乙酯、椰油酸二乙醇酰胺、聚乙烯醇缩醛，搅拌加热得到热反应混合液，再将热反应混合液陈化处理、调节pH后干燥得陶瓷浆料，最后将陶瓷浆料在模具中固化、脱模，得到坯料，再将坯料烧结得高性能压电陶瓷复合材料。制备而成的高性能压电陶瓷复合材料，其介电常数高、温度稳定性好，在水声和超声医学领域中具有较好的应用前景。

（2）本发明采用了氮化硅、氧化铝、氧化钒铜、正硅酸乙酯、椰油酸二乙醇酰胺、聚乙烯醇缩醛这几种原料复配制备高性能压电陶瓷复合材料，虽然这些材料并非首次应用于陶瓷材料中，但按照一定配比量组合使用后，辅以相应的处理方式，给最后制备得到的陶瓷材料带来了使用性能上的大幅度提高，这在以往的研究中是不曾报道过的，对于实现本发明的技术效果起到了决定性的作用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。

实施例1