[发明专利]无铅压电复合材料及其制备方法在审

专利信息
申请号: 202080026966.6 申请日: 2020-03-31
公开(公告)号: CN113646911A 公开(公告)日: 2021-11-12
发明(设计)人: 索马·古哈萨库塔;杰西·欧弗索·卡拉韦奥·弗雷斯卡思 申请(专利权)人: 沙特基础全球技术有限公司
主分类号: H01L41/18 分类号: H01L41/18;H01L41/37
代理公司: 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人: 刘明海;胡彬
地址: 荷兰贝亨*** 国省代码: 暂无信息
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摘要:
搜索关键词: 压电 复合材料 及其 制备 方法
【说明书】:

描述了生产无铅压电复合材料的方法。该方法可以包括将无铅压电添加剂加入包含溶剂和溶解在其中的聚合物的溶液中。该溶剂可以具有i)在0.1MPa下≥80℃的沸点和ii)在水中≥0.1g/g的溶解度和/或≥20的介电常数。可以去除溶剂以形成其中分散有无铅压电颗粒的聚合物基质。聚合物基质的电处理可以形成压电元件。还描述了无铅压电复合材料和包括该无铅压电复合材料的装置。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年4月2日提交的印度临时专利申请No.201911013259的优先权的权益,其通过整体引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及制备无铅压电复合材料的方法,该无铅压电复合材料包括分散或悬浮在聚合物基质中的平均粒度为200nm至1000nm的无铅压电颗粒。特别地,该方法包括使用i)在0.1MPa下的沸点≥80℃和ii)在水中的溶解度≥0.10g/g的和/或介电常数≥20的溶剂以形成无铅颗粒的分散体或悬浮液,其中聚合物材料部分或完全溶解在该溶剂中,由悬浮液形成聚合物基质,然后对聚合物基质进行电极化处理。

背景技术

压电材料本质上可以是聚合物、陶瓷或单晶。陶瓷可以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。此外,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。

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(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3和Pb(Yb1/2Nb1/2)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。

薄的、柔性的、高性能压电材料在新兴医疗保健和生物医学应用以及可穿戴电子产品的传感器、致动器和能量采集器中的需求很高。然而,由于无机压电陶瓷重且脆,柔性压电装置的发展受到限制。获得优异的压电性能和将这些材料作为薄层加工到基底上所需的苛刻加工条件,例如高温(500℃),进一步限制了基底材料的选择,因为需要耐高温的柔性基底。另一方面,压电聚合物如PVDF和PVDF-TrFE共聚物,提供了多个优点,包括机械柔性、轻质、低温和易于加工。尽管相对于陶瓷材料具有这样的优点,但由于与陶瓷(PZT的d33范围为270-400pC/N)相比,这些材料的压电响应较低(d33~13-28pC/N),且需要更高的驱动电压,这带来了额外的安全和成本问题。

对于这些应用,期望实现压电陶瓷或压电聚合物都不能满足的几个冲突要求的平衡。因此,压电复合材料是有吸引力的替代物,因为它们可以将这两种材料的优势,即陶瓷的高压电响应和高介电常数与聚合物的机械柔性结合起来。压电材料固有的柔性或可变形性也是装置性能的重要参数,柔性防止疲劳并提高装置的寿命。在偏氟乙烯基聚合物(均聚物、共聚物和三元聚合物)中添加压电陶瓷填料以形成(0-3)复合材料显示出良好的压电常数(d33≈40-60pC/N)。然而,现有技术的这些压电复合材料大多是铅基的,并且还具有机械脆性。由于铅具有高毒性,环境问题和生物相容性整合问题不可避免。

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