一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法技术

一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法，属于柔性压电复合材料领域。选取熔盐法制备的高性能锆钛酸钡钙(BCZT)陶瓷粉体作为压电相，高导电性和高力学性能的碳纳米管(CNTs)作为导电相，通过调控热压工艺参数使各相在聚偏氟乙烯(PVDF)基质中均匀随机分布，制备了BCZT/CNTs/PVDF柔性压电三相复合材料。该复合材料具有高的开路电压和短路电流，在柔性压电能量收集领域具有重要应用价值。用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于柔性压电复合材料领域，具体涉及一种由无铅压电颗粒与碳纳米管协同增强的柔性压电三相复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚偏氟乙烯(PVDF)因为自身良好的柔性和可加工性，以及较大的压电电压常数等优点在柔性压电能量收集器件领域受到广泛关注。但是，PVDF作为一种半结晶聚合物，压电效应主要取决于电偶极矩最大的β相，而纯PVDF主要呈现为α相。因此，PVDF的压电输出性能较低，所产生的电压、电流不能满足微电子器件对电能的需求。
[0003]为了获得大的电压和电流值，最常用的方法是在PVDF材料的基础上，引入高压电性能的陶瓷颗粒相以提升其发电性能。然而，无机压电颗粒在PVDF基体中呈孤立分布的特征，对力电性能的转换存在极大限制。首先，当外力作用于复合材料时，需要通过PVDF作为媒介将外力传递到压电颗粒上。PVDF的杨氏模量较低，使得大部分外力被PVDF基体吸收和耗散，仅有很小的一部分作用力可以被有效的传递到刚性的压电颗粒。其次，高压电性能的无机颗粒被高绝缘有机基体包裹，在人工高压极化过程中，真正施加到压电颗粒上的极化电压极为有限，压电颗粒极化不完全，导致柔性压电能量收集器的输出电流普遍偏低，严重制约了柔性压电能量收集器的实际应用。
[0004]在本专利技术中，我们提出了一种新的柔性压电复合材料设计思路，即在传统压电陶瓷颗粒与PVDF构成的柔性压电复合材料中，引入高导电性和高力学性能的碳纳米管(CNTs)作为第三相，通过调控热压工艺参数使各相在基质中均匀随机分布，制备了具有优异发电性能的柔性压电三相复合材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于压电颗粒与导电相协同设计的柔性压电三相复合材料及其制备方法。以熔盐法制备的高分散性锆钛酸钡钙(BCZT)粉体作为压电相，CNTs作为导电相，PVDF作为有机基体，通过热压工艺，同时施加压力和传递热量，使各相在基质中均匀的随机分布，可实现大的开路电压和短路电流。
[0006]上述柔性复合材料的制备方法如下：
[0007]1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行BCZT粉体、CNTs的称量，其中x的数值为8wt.％～32wt.％，y的数值为0wt.％～0.15wt.％且不为0；
[0008]2)将PVDF聚合物倒入N，N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在50℃下加热搅拌，至溶液完全透明；
[0009]3)将不同质量比的CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；
[0010]4)将熔盐法制备粒径为800μm～1000μm的BCZT粉末按不同的质量比加入到步骤3)
混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；
[0011]5)为将溶剂DMF去除，将步骤4)所得混合溶液缓慢倒入去离子水中，并搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出于80℃下经10h烘干为所得样品；
[0012]6)将步骤5)所得干燥样品在20MPa的压力下干压成圆片，再放入平行板模具中，在190℃、20MPa下自然拉伸热压10min，得到压电三相复合材料。
[0013]7)在压电三相复合材料样品上下表面涂覆银电极，硅油中施加直流电场进行极化。极化电压设定为200kV/cm，极化温度为80℃，极化时间为4h。
[0014]本专利技术的复合材料用于柔性压电能量收集领域。
[0015]本专利技术与现有技术相比具有以下主要的优点：
[0016]通过引入高压电性能的BCZT作为压电相，CNTs作为第三相，并通过热压工艺制备了一种三相随机分布的BCZT/CNTs/PVDF柔性压电复合材料，这种结构显著地提高了PVDF材料的开路电压和短路电流。
附图说明
[0017]图1 16wt.％BCZT/0.1wt.％CNTs/PVDF柔性压电三相复合材料扫描电镜图
[0018]图2 16wt.％BCZT/yCNTs/PVDF柔性压电三相复合材料的电性能图：(a)开路电压波形图，(b)短路电流波形图。
具体实施方式
[0019]下面通过实施例进一步阐明本专利技术的实质性特点和显著优点。应该指出，本专利技术决非仅局限于所陈述的实施例。
[0020]以熔盐法制备的高分散性BCZT粉体作为压电相，CNTs作为导电相，PVDF作为基体，按照PVDF、CNTs、BCZT的顺序进行称量并充分混合，得到混合浆料，进一步将混合浆料缓慢倒入去离子水中，得到混合均匀的絮状混合物；将干燥后的絮状混合物进行热压处理，通过调控压力、温度及保温的时间，实现压电相与导电相随机均匀分布于基体中，之后进行电极的组装，经过人工极化处理后，获得所述柔性压电三相复合材料。
[0021]实施例1：
[0022]1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.025wt.％；
[0023]2)将PVDF聚合物倒入DMF溶液中，在50℃下加热搅拌溶液，至溶液完全透明；
[0024]3)把CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；
[0025]4)将熔盐法制备的BCZT粉末按不同的体积比加入到混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；
[0026]5)为了将溶剂DMF去除，将混合溶液缓慢倒入装有1L去离子水的烧杯中，并在搅拌器中搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出，于80℃下经10h烘干；
[0027]6)将干燥样品在20MPa的压力下干压成直径为40mm的圆片，再放入平行板模具中，在190℃，20MPa下自然拉伸热压10min，得到压电三相复合材料；
[0028]7)在压电三相复合材料样品上下表面涂覆银电极，硅油中施加直流电场进行极化。极化电压设定为200kV/cm，极化温度为80℃，极化时间为4h。
[0029]实施例2：
[0030]按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.050wt.％。其它同实施例1。
[0031]实施例3：
[0032]按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.075wt.％。其它同实施例1。
[0033]实施例4：
[0034]按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.100wt.％。其它同实施例1。
[0035]实施例5：
[0036]按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0.125wt.％。其它同实施例1。
[0037]实施例6：
[0038]按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行原料的称量，其中x＝16wt.％，y＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电颗粒与碳纳米管协同的压电三相复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按化学式xBCZT/yCNTs/PVDF进行BCZT粉体、CNTs的称量，其中x的数值为8wt.％～32wt.％，y的数值为0wt.％～0.15wt.％且不为0；2)将PVDF聚合物倒入N，N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在50℃下加热搅拌，至溶液完全透明；3)将CNTs加入PVDF溶液中，超声30min后，在50℃搅拌1h，使CNTs分散在溶液中；4)将熔盐法制备的高分散性BCZT粉末按不同的质量比加入到步骤3)混合溶液中，超声1h后，在50℃下搅拌5h，得到最终的混合溶液；5)为将溶剂DMF去除，将步骤4)所得混合溶液缓慢倒入去离子水中，并搅拌，出现白色絮状物质后，将白色物质取出于80℃下经10h烘干；6)将步骤5)所得干燥样品在20MPa的压力下干压...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑木鹏，赵俊，武旭辰，朱满康，侯育冬，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：