【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电陶瓷，具体涉及一种光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
1、基于机电能量转化原理的压电传感器，主要是通过将获取的数据转换为电荷来测量力，以及压力、加速度、温度、应变等其他量。压电传感器多用于振动和冲击测量。它们可用于医疗、航空航天、消费电子和核仪器等多个领域。目前，应用最广泛、最成熟的压电陶瓷器件的核心是以钙钛矿型的锆钛酸铅（pb(zrxti1-x)o3，简写为pzt）基陶瓷材料。锆钛酸铅（pb(zr1-xtio3)，pzt）陶瓷具有优良的压电、介电性能。由于其稳定性好，精度高，能量转换效率高，响应速度快，机械品质因子、压电系数、机电耦合常数明显优于无铅压电陶瓷。
2、由于陶瓷的高硬度、高强度和脆性，设计复杂结构的压电陶瓷零件制造难度较大。此外，传统加工方法产生的机械应力会导致压电陶瓷零件去极化，从而降低其压电性能。将成形与加工相结合的技术已成为研究的热点。与传统的加工方法相比，增材制造技术可以实现复杂设计的压电陶瓷零件成形与加工的一体化。这些技术能够满足现代工程应用的要求。在众多增材制造技术中，光固化3d打印技术具有生产精度高、成型速度快、表面质量好等优点。
3、传统压电材料的性能取决于其晶体结构，它的晶格结构就决定了压电陶瓷的压电性能，当确定了所使用的压电材料后它的晶格结构或者说分子结构就已经决定了它的压电常数大小以及压电常数矩阵是一种什么样的形式，它的方向性已经确定了而且每一个系数都也已经确定了，如果要改变压电材料的晶格结构或者分子结构需要投入大
4、针对pb(mg1/3nb2/3)o3-pb(in1/2nb1/2)o3-pbzro3-pbtio3(pin-pmn-pz-pt)压电陶瓷其在紫外波长段吸光性强，光固化打印过程紫外光难以透过浆料中的粉体达到深层，通常纳米粉末（粒径d50在百纳米级别）具有较大的比表面积和高表面活性，其最后烧结成瓷的各类电学性能也较好，但是纳米颗粒在光固化浆料中的层层阻碍、层层吸光，使得单体树脂的有效网络交联结构难以形成，固化深度不仅不足20μm，其固化的单层薄片力学性能也很差，导致使用pin-pmn-pz-pt纳米颗粒制备而成的压电陶瓷浆料并不适用于市面上许多常见的光固化3d打印设备，同时，当pin-pmn-pz-pt纳米颗粒在浆料中的固含量（体积分数）增加至40vol%左右时，浆料的粘度急剧上升，打印过程中刮刀难以铺平，浆料流动性差；此外pin-pmn-pz-pt纳米颗粒的密度是单体树脂的7倍左右，在光固化打印过程中易沉降，导致固化坯体的上下部分内的pin-pmn-pz-pt纳米颗粒的含量不同，从而使z方向的收缩率也不同，导致后续脱脂烧结过程中产生变形翘曲甚至开裂等问题。一些具有复杂三维结构的试样难以成型，发挥不出光固化打印的优势所在。目前对于多元系压电陶瓷的光固化成型工艺研究较少，对于复杂结构打印成型的相关性能研究几乎为零，也未曾有研究发掘光固化成型压电陶瓷在能量采集领域的潜力。
5、现有的针对这类固化能力差的pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷浆料的配备技术，通常会将原始粉体在700度以上预烧1h以上，使得原本微纳级别粒径的细粉变成粗粉来极大减小光散射带来的固化难题，但是这一过程会带来因预烧而产生的额外成本，预烧过程中粉体的铅含量也有所挥发，而且经粗粉打印制备的pzt基压电陶瓷其脱脂烧结的动能就远不及纳米粉的高表能高流动性所提供的烧结能，最后所制备的样品也不如原始纳米粉直接打印的效果，压电性能较差；此外，预烧这一过程对于需要制备大批量样品不太友好，因为大量的浆料配制需要大量的粉体，大量粉体的烧结需要大量的坩埚以及烧结炉，从而进一步增加了成本和时间。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术对于pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷，纳米粉由于较好的流动性以及烧结时高的表面能使得其相对于微米粉而言有着更加致密的结构和优越压电性能，当粒径d50处于微纳米级别时（<500nm），粒径越小其固化深度越浅，而且高的比表面积使得粉体极易团聚，目前通常的解决办法是通过预烧获得粗粉，在大的粒径下得到较好的固化深度以及分散性，但是这种方法无疑增加了资金成本和时间成本，同时粗粉在脱脂烧结过程中的动能不如纳米粉从而产生较多的诸如气孔裂纹等缺陷，恶化压电性能，而且预烧过程中产生额外的铅挥发同样使得pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷的性能变差，为了解决现有的pin-pmn-pz-pt纳米颗粒的直接打印存在诸多方面的问题，填补极细纳米粉（d50<200nm）良好光固化性能（包括固化深度、粘度、沉降稳定性、分散稳定性、固含量）的空白，目前对于宏微观结构对多元系压电陶瓷的本征电磁参数的相关研究极为罕见，通过光固化3d打印成型的复杂结构通常性能较差且不易进行系统研究，本专利技术提供一种光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷及其制备方法和应用。该方法通过对pin-pmn-pz-pt纳米颗粒的表面修饰，添加与树脂有着超低折射率差的物质，选取适宜的分散剂和适量的光引发剂，来实现摒弃预烧过程，直接完成对pin-pmn-pz-pt纳米颗粒的光固化打印，降低了资金成本和时间成本。
2、本专利技术第一个目的是提供一种光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
3、制备pin-pmn-pz-pt纳米颗粒；
4、将pin-pmn-pz-pt纳米颗粒加入表面改性溶液中，经球磨处理，得到表面功能化的pin-pmn-pz-pt纳米颗粒；
5、将光固化单体树脂、可溶性淀粉、分散剂、活性稀释剂、消泡剂，混合均匀，得到光敏树脂有机高分子体系；
6、将表面功能化的pin-pmn-pz-pt纳米颗粒分批次加入光敏树脂有机高分子体系中，进行球磨，再加入光引发剂继续球磨，得到pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷浆料；
7、设计三种具有三维周期复杂结构的三维结构模型；
8、将pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷浆料投入光固化打印机的料槽中，并将三维结构模型导入光固化打印机中，设定打印参数，进行打印获得坯体；
9、将坯体经脱脂、烧结后，即得压电陶瓷。
10、优选的，所述表面改性溶液是由硅烷偶联剂溶于乙醇配制而得；
11、所述硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；
12、所述表面改性溶液中硅烷偶联剂所占质量分数为4~6%。
13、优选的，所述表面改性溶液加入量占pin-pmn-pz-pt纳米颗粒质量的1~5wt%。
14、优选的，所述光固化单体树脂为1,6-己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯中一种或多种；所述光固化单体树脂添加量占光固化浆料的10~1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面改性溶液是由硅烷偶联剂溶于乙醇配制而得；
3.根据权利要求2所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面改性溶液加入量占PIN-PMN-PZ-PT纳米颗粒质量的1~5wt%。
4.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和/或苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦；所述光引发剂添加量占树脂的5~20wt%。
6.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述PIN-PMN-PZ-PT基压电陶瓷浆料中的PIN-PMN-PZ-PT纳米颗粒含量为80~85wt%；所述PI
7.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述打印参数为：单层层厚15~30μm，曝光电流2000~5000mA，曝光时间5~15s每层，刮刀速度800step/s。
8.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述脱脂过程包括：在惰性气氛下，于室温经过300min升温至300℃，在300℃下保温60min后再经400min升温至400℃，保温60min后经200min升温至450℃，保温60min后经250min升温至500℃，保温60min后经250min升温至550℃，保温60min经250min升温至600℃，保温60min后随炉冷却，除去O、H元素；
9.一种权利要求1~8任一项所述的方法制得的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷。
10.一种权利要求9所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷在能量采集领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面改性溶液是由硅烷偶联剂溶于乙醇配制而得；
3.根据权利要求2所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面改性溶液加入量占pin-pmn-pz-pt纳米颗粒质量的1~5wt%。
4.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和/或苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦；所述光引发剂添加量占树脂的5~20wt%。
6.根据权利要求1所述的光固化成型超高能量采集性能的多元系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述pin-pmn-pz-pt基压电陶瓷浆料中的pin-pmn-pz-pt纳米颗粒含量为80~8...
【专利技术属性】
技术研发人员：梅辉，吕震寰，杨文强，许锐哲，杨逗，成来飞，张立同，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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