[发明专利]压电组合物及其用途

说明书

描述了压电复合材料。压电复合材料可以包括聚合物基质、压电添加剂和多元醇。还描述了制造和使用该压电复合材料的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月7日提交的美国临时专利申请No.62/789,145的优先权的权益，其通过整体引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及压电复合材料，该压电复合材料包括压电添加剂、聚合物基质和基于压电复合材料重量的至少1.5wt.％的多元醇。

背景技术

压电材料本质上可以是聚合物、陶瓷或单晶。陶瓷比聚合物或单晶更便宜且更容易制造。陶瓷还具有与聚合物相比相对高的介电常数和良好的机电耦合系数。陶瓷的声阻抗高，导致其与例如水和人体组织的介质(通常通过其传输或接收信号的介质)的声匹配较差。此外，陶瓷可以表现出高硬度和脆性；并且不能在曲面上成形，这导致在给定换能器中有限的设计灵活性。最后，压电陶瓷的机电共振产生高度的噪声，这在换能器工程中是不希望的伪影(artifact)。

单晶压电材料可以包括石英电气石和酒石酸钾钠的晶体。其他单晶可以包括偏铌酸铅(PbNb₂O₆)或弛豫体系统，例如Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃和Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃、(1-2×)BiScO₃×PbTiO₃。与陶瓷一样，任何单一的压电材料相(陶瓷或晶体或聚合物)都不能提供应用所需的所有特征，因此性能受到高压电活性和低密度与机械柔性之间的权衡的限制。

聚合物可以诱导呈现铁电性质的半结晶聚合物。例如，PVDF是以四种不同的相，即α、β、γ和δ，存在的半结晶聚合物。在PVDF可以呈现的四种不同的相中，β相是唯一呈现自发极化并因此呈现压电性的相。PVDF聚合物与陶瓷相比具有独特的优势，例如它们是柔性的，因此可以容易地在曲面上成形。另外，PVDF是化学惰性的、坚韧的、抗蠕变的，并且当暴露于阳光时具有良好的稳定性。此外，它具有低密度和低介电常数，导致非常高的电压系数。由于其优异的机械柔性、生物相容性和基于溶液的可加工性，它已被积极研究用于包括非易失性低电压存储器、声学换能器和可植入医疗装置的应用。PVDF及其共聚物(PVDF-TrFE、PVDF-TrFE-CFE)是对于压电聚合物性能的一些最佳标准。然而，这些聚合物和共聚物存在可加工性问题，例如制造成单独的活性元件、复杂的结构或三维(3D)图案。PVDF还有使其用途受到限制的一些固有缺点；例如低d₃₃和d_h值、低介电常数。此外，PVDF膜需要高电场来极化，这使得极化略微困难。尽管它们的介电击穿值高，但低的压电电压常数使它们不适于如能量收集的应用。

例如聚合物陶瓷复合材料(PVDF-PZT)的复合材料受到了广泛关注，因为这些材料可以将陶瓷的优异热电性能和压电性能与聚合物的强度、柔性、加工便利性、易变性、相对较高的介电常数和击穿强度相结合，这在单相压电材料中是无法实现的。这些特性使得由电活性陶瓷和铁电聚合物制成的复合材料对于应用非常有吸引力，因为它们呈现与水和人体皮肤的低声阻抗匹配，并且它们的特性可以根据各种需求进行调整。

压电复合材料可以包括聚合物材料和压电添加剂。许多压电聚合物包括聚合物而不是单一的压电材料。与陶瓷相比，聚合物可以提供独特的优势，因为它们是柔性的并因此可以容易地在曲面上成形。聚合物还可以提供化学惰性、坚韧、抗蠕变和在暴露于阳光时具有良好稳定性的优点。此外，含氟聚合物可以具有低密度以及低介电常数，导致非常高的电压系数。由于其优异的机械柔性、生物相容性和基于溶液的可加工性，各种聚合物正被积极研究用于包括非易失性低压存储器、声学换能器和可植入医疗装置的应用。