压电复合材料及方法技术

由分散在压电聚合物中的纤维素材料和无机压电材料形成压电复合材料。该复合材料的压电聚合物具有10或更大的介电常数。还公开了一种制备压电体的方法，其中形成纤维素材料、无机压电材料和压电聚合物材料的基质。该基质形成为压电复合体。成为压电复合体。成为压电复合体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电复合材料及方法


[0001]本专利技术涉及压电复合材料及其制造和使用方法。

技术介绍

[0002]压电材料是在受到机械应力时产生电荷的那些材料。这样的材料可用于各种不同的应用。这些应用包括换能器、传感器、致动器、打印机、扬声器以及其他应用。
[0003]有几种类型的压电材料。这些压电材料包括陶瓷材料、晶体、聚合物和聚合物复合材料。尽管这些材料是有用的，但它们各自具有某些缺点。
[0004]压电陶瓷材料通常包括钙钛矿矿物材料。钙钛矿族包括当今换能器技术中使用的最大类别的压电陶瓷。具有钙钛矿结构的压电陶瓷的典型实例包括钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr
x
Ti1‑
x
)O3或PZT)、锆钛酸铅镧(Pb1‑
x,
La
x
(Zr
y
T1‑
y
)1‑
x
/4O3或PLZT)、以及铌镁酸铅
‑
钛酸铅(Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
O3)
‑
PbTiO3或PMN
‑
PT)等。在20世纪40年代，在世界多个地方独立发现BaTiO3陶瓷的铁电性之后，已经合成了大量陶瓷铁电化合物和固溶体。具体地，锆钛酸铅(PZT)，一种PbZrO3(PZ
‑
反铁电体)和PT(PT
‑
铁电体)的二元固溶体，由于其显著的压电性质，已经在换能器技术中广泛使用。
[0005]陶瓷比压电聚合物或单一压电晶体更便宜且更容易制造。陶瓷还具有比聚合物更高的介电常数，以及良好的机电耦合系数。另一方面，陶瓷由于其较高的声阻抗而是不利的，这导致与介质(例如水和人体组织，通常通过这些介质发送或接收信号)的较差的声匹配。此外，陶瓷表现出高度刚度和脆性；并且不能在弯曲表面上形成，这限制了换能器的设计灵活性。最后，压电陶瓷的机电共振引起高度的噪声，这在换能器工程的背景下是不希望的伪影。
[0006]晶体中的压电效应是由两位法国物理学家Pierre和Paul
‑
Jacques Curie兄弟在1880年发现的。在石英、电气石和罗谢尔盐(酒石酸钾钠)的晶体中发现了该效应。最近，人们对高居里温度体系的兴趣日益增长，特别是单晶。已经研究了例如偏铌酸铅(PbNb2O6)的材料或例如Pb(Sc
1/2
Nb
1/2
)O3‑
PbTiO3、Pb(In
1/2
Nb
1/2
)O3‑
PbTiO3和Pb(Yb
1/2
Nb
1/2
)O3‑
PbTiO3的弛豫体系等。此外，研究了(1
‑
2x)BiSCO3‑
xPbTiO3铁电族中的组成。铁电材料的这一系列研究的主要驱动力是汽车工业的传感器/致动器需求。对于上述陶瓷的情况，任何一种单一压电材料相(陶瓷或晶体或聚合物)都不能为应用提供所有期望的特征，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。
[0007]压电聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF是以四种不同相(即α、β、γ和δ)存在的半结晶聚合物。在PVDF可以呈现的四个不同的相中，β相是唯一表现出自发极化并因此表现出压电性的相。PVDF可用作均聚物或共聚物，例如聚(偏二氟乙烯
‑
共
‑
三氟乙烯)(PVDF
‑
TrFE)和聚(偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯
‑
氯氟乙烯)(PVDF
‑
TrFE
‑
CFE)。
[0008]PVDF聚合物提供优于陶瓷和晶体的独特的优势。它们是柔性的，因此可以容易地在弯曲表面上形成。此外，PVDF是化学惰性的、韧性的、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，它被积极地研究用于多种应用，包括非易失性低压存储器、声换能器和可植入医疗器械的应用。
[0009]PVDF及其共聚物(即PVDF
‑
TrFE、PVDF
‑
TrFE
‑
CFE)是压电聚合物性能方面的一些最佳标准，但很难将这些聚合物制成单独的活性元件、复杂的结构或三维(3D)图案。PVDF还具有使其用途受限的若干固有缺陷；例如低压电系数(d33)和压电电荷系数(dh)值，以及低介电常数。而且，PVDF膜需要高电场进行极化，并使得极化略微困难。尽管它们具有高介电击穿值，但低压电电压常数使它们不适用于如能量收集的应用。
[0010]异质结构材料，例如聚合物陶瓷复合体(PVDF
‑
PZT)，已经受到了很多关注，因为这些材料可以将陶瓷的优异热电和压电性能与聚合物的强度、柔韧性、加工便利性、轻便性、相对高的介电常数和击穿强度相结合，这在单相压电材料中是不能实现的。这些性质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，因为它们表现出与水和人类皮肤相匹配的低声阻抗，并且它们的性质可以根据各种需求调节。
[0011]通常，压电复合材料含有高填充量的无机填料(>25％，v/v)，从而损害了它们的机械性能和柔韧性。因此，仍然存在足够的研究空间来开发和微调具有所需压电性能与机械柔性的平衡的复合材料。

技术实现思路

[0012]压电复合材料包括分散在压电聚合物中的纤维素材料和无机压电材料，所述压电聚合物具有10或更大的介电常数。
[0013]在某些实施方案中，纤维素材料是纤维素纤维。纤维可以具有5μm至100μm的长度和5μm至40μm的宽度。基于复合材料的总重量，纤维素材料可以以0.01重量％至10重量％的量存在。
[0014]基于复合材料的总体积，无机压电材料可以以20重量％至90重量％的量存在。无机压电材料可以选自以下中的至少一种：钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾钠(KNN)、氧化锌、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌镁酸铅
‑
钛酸铅(PMN
‑
PT)、羟基磷灰石、磷灰石、硫酸锂一水合物、铌酸钠钾、石英、酒石酸、聚(偏二氟乙烯)、以及反铁电材料和铁电材料的二元固溶体。铁电组分可以选自以下中的至少一种：氧化钡钛(BTO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸钾钠(KNN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯三氟乙烯(P(VDF
‑
TrFE))、聚偏二氟乙烯六氟丙烯(P(VDF
‑
HFP))、聚偏二氟乙烯三氟乙烯(P(VDF
‑
TrFE))、聚偏二氟乙烯六氟丙烯(P(VDF
‑
HFP))、聚偏二氟乙烯三氟乙烯氯氟乙烯(P(VDF
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种压电复合材料，其包括分散在压电聚合物中的纤维素材料和无机压电材料，所述压电聚合物具有10或更大的介电常数。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述纤维素材料是纤维素纤维。3.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述纤维具有5μm至100μm的长度和5μm至40μm的宽度。4.根据权利要求1所述的复合材料，其中基于所述复合材料的总重量，所述纤维素材料以0.01重量％至10重量％的量存在。5.根据权利要求1所述的复合材料，其中基于所述复合材料的总体积，所述无机压电材料以20重量％至90重量％的量存在。6.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述压电聚合物是含氟聚合物。7.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述压电聚合物是聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物或PVDF共聚物。8.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述压电聚合物是PVDF
‑
TrFE
‑
CFE聚合物。9.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述无机压电材料选自以下中的至少一种：钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾钠(KNN)、氧化锌、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌镁酸铅
‑
钛酸铅(PMN
‑
PT)、羟基磷灰石、磷灰石、硫酸锂一水合物、铌酸钠钾、石英、酒石酸、聚(偏二氟乙烯)、以及反铁电材料和铁电材料的二元固溶体。10.根据权利要求9所述的复合材料，其中所述铁电组分选自以下中的至少一种：氧化钡钛(BTO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸钾钠(KNN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯三氟乙烯(P(VDF
‑
TrFE))、聚偏二氟乙烯六氟丙烯(P(VDF
‑
HFP))、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：沙伯环球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：