获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法，将压电陶瓷粉过筛子得到粒径大于或等于350μm及粒径小于350μm的压电陶瓷粉；将步骤粒径小于350μm的压电陶瓷粉和炭黑分散在80℃的乙醇溶液中搅拌，直至乙醇溶液完全挥发完毕；将粒径大于或等于350μm的压电陶瓷粉和碳纳米管导电浆料加入无水乙醇搅拌，直至无水乙醇完全挥发完毕；将上述得到的两种混料在干燥箱中加热搅拌，得到混合物料；将混合物料注入模具压实成型，在室温下抛光处理，采用低温导电银浆涂覆在表面，形成电极；将电极放入硅油中极化，即得到沥青基压电陶瓷压电复合材料。本发明极化更加充分，并保证了颗粒间测连通性和材料的整体性。
【专利说明】
获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及的是一种压电材料的处理方法。
【背景技术】
[0002]随着智能感知材料的高速发展，高性能传感器为健康监测系统的发展提供了崭新的途径，健康监测已经成为诸多领域的前沿研究方向。沥青基压电陶瓷压电复合材料指以沥青为基体相，压电陶瓷粉为压电相混合制备的压电复合材料。用于道路健康监测，可实现监测道路健康状况的准确性和实效性，同时也保证了传感器系统与道路的兼容性与匹配性，延长传感器的使用寿命，为道路健康提供保障。
[0003]极化是制备沥青基压电陶瓷压电复合材料的关键工序之一，制备的压电复合材料经人工极化才具有压电性。压电材料的微结晶的结晶轴方向是自发生成的，取向杂乱，但因为铁电体在居里点以下发生畴结构，所以铁电复合物是畴的微结晶集合体。外加微小电场，各个畴的压电效应相互抵消，因此整个压电复合物的畴变所产生的压电效应是不明显的。为了使压电复合材料试样的压电性能得到充分发挥和提高，需要对试样进行电极化。在复合材料两端加一个足够高的直流电场，迫使复合材料内部的陶瓷发生电畴转向和聚合物发生极化定向排列。在一定的极化温度和极化时间条件下，足够高的极化电场强度直接影响复合材料的压电响应。
[0004]由于压电陶瓷粉的介电常数远远大于沥青基体的介电常数，即使很高的极化电压也无法使压电颗粒上产生较高的电压;而过高的极化电压增大了介电损耗甚至击穿试件，极化不充分，无法充分发挥压电材料的压电性能。沥青具有流动性，加入沥青使陶瓷颗粒间产生了间隔，陶瓷颗粒没形成直接搭接或有效搭接，对极化造成困难;一定温度下沥青将软化，过高的温度会破坏材料的完整度，因此无法通过高温手段促进极化程度。
[0005]现有对沥青基压电陶瓷压电复合材料的研究还处于起始阶段，制备工艺还不够成熟。目前的沥青基压电陶瓷压电复合材料制备工艺还仅限于将沥青与压电陶瓷粉混合均匀，只关注压电材料从宏观上体现的压电效应，没有考虑到粒径分布对压电效应的影响，而且研磨的越充分，沥青将压电陶瓷粉隔离的越彻底。因此有必要加入具有导电性能的媒介将陶瓷颗粒连通起来，且使沥青隔层能有效地传递电流到陶瓷颗粒表面，极大地促进极化程度。粒径大的陶瓷颗粒具有更好的压电响应，研磨时应优先考虑其有效极化。
[0006]炭黑具有表面积大、孔隙率小和导电性能良好的特点。向导电陶瓷中加入炭黑可以有效地增大材料内部陶瓷颗粒电压，达到增强极化效果。炭黑与压电陶瓷粉混合时大部分与粒径较小的陶瓷粉均匀混合而且粒径搭配混合情况较好，粒径较大的陶瓷颗粒处于裸露状态，没有达到最优的混合状态，而且粒径大的压电陶瓷粉具有更大的压电响应，故应增加大粒径陶瓷粉的通电率;碳纳米管具有良好的导电性能，电导率通常可达到铜的I万倍。大粒径的压电陶瓷粉与碳纳米管NMP浆料混合，可完全包裹大粒径的陶瓷颗粒，大大增加了颗粒间和小粒径陶瓷粉的通电作用，浆料液态的特性也使材料研磨后粒径分布均匀，填充颗粒间隙使材料更密实，避免由于孔隙对极化过程造成的影响。需要适量地加入炭黑和碳纳米管浆料，过多的炭黑和碳纳米管浆料会加大材料的电导率，致使遗漏电流而降低极化程度，甚至使材料上、下表面形成联电而击穿材料。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供使得极化更加充分、并能保证整体性的获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法。
[0008]本发明的目的是这样实现的:
[0009]本发明获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法，其特征是:
[0010](I)按重量份数称取20?50份沥青、500?900份压电陶瓷粉、不大于2份的炭黑和不大于2份的碳纳米管导电浆料；
[0011](2)将500?900份压电陶瓷粉过40?50目筛子得到粒径大于或等于350μπι的压电陶瓷粉及粒径小于350μπι的压电陶瓷粉；
[0012](3)将步骤(2)中粒径小于350μπι的压电陶瓷粉和不大于2份的炭黑分散在80°C的乙醇溶液中，在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液完全挥发完毕;将步骤(2)中粒径大于或等于350μπι的压电陶瓷粉和不大于2份的碳纳米管导电浆料在室温状态下加入无水乙醇搅拌，直至无水乙醇完全挥发完毕；将上述得到的两种混料在干燥箱中加热至150°C在搅拌速度为180rpm下搅拌5min，得到混合物料；
[0013](4)将步骤(3)中得到的混合物料注入模具压实成型，在室温下抛光处理，采用低温导电银浆涂覆在表面，形成电极；
[0014](5)将电极放入30?60°C娃油中，在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化3?15min，即得到沥青基压电陶瓷压电复合材料。
[0015]本发明还可以包括:
[0016]1、所述的炭黑为导电槽黑或乙炔炭黑。
[0017]2、所述的碳纳米管导电浆料为碳纳米管NMP导电浆料。
[0018]本发明的优势在于:
[0019]1、本发明以炭黑和碳纳米管浆料作为导电材料，在极化过程中作为媒介将电流均匀地传到压电陶瓷颗粒表面，使极化更充分，获得了良好的效果；
[0020]2、根据压电陶瓷粉粒径的不同，将导电材料分别与两种粒径的陶瓷粉均匀研磨，有效地将电流传递到压电陶瓷颗粒表面，极大地促进极化程度；
[0021 ] 3、碳纳米管浆料液态的特性使材料研磨后粒径分布均匀，填充颗粒间隙增加材料密实度。
[0022]根据本发明制得材料的压电应变常数与按一般工艺制得材料的压电应变常数比较可以看出，相比于一般工艺，加入炭黑和碳纳米管浆料的材料极化时极化电压明显降低，并且极化后可以得到更大的压电应变常数d33、更高的机电耦合系数和更小的介电损耗，表明沥青基压电陶瓷压电复合材料经本发明所述方法极化可使极化更充分，得到更好的压电响应。
【具体实施方式】
[0023]下面对本发明做更详细地描述:
[0024]沥青基压电陶瓷压电复合材料的制备工艺为:(1)过筛:将500?900份压电陶瓷粉过40?50目筛子得到200?400份粒径大于350?400μπι的压电陶瓷粉及250?520份粒径小于350?400μπι的压电陶瓷粉；(2)混料:将步骤二中粒径小于350?400μπι的压电陶瓷粉和O?2份炭黑分散在800C的高浓度乙醇溶液中，在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液完全挥发完毕。将步骤二中粒径大于350?400μπι的压电陶瓷粉和O?2份碳纳米管导电浆料在室温状态下加入适量无水乙醇搅拌，直至无水乙醇完全挥发完毕。将两种混料在干燥箱中加热至150 0C在搅拌速度为180rpm下搅拌5min，得到混合物料；(3)成型并粘结电极;首先将步骤三中得到的混合物料注入模具压实成型，然后在室温下抛光处理，最后采用低温导电银浆涂覆在表面，形成电极；(4)极化:将待极化材料放入30?60°C硅油中，在电场强度为
1.5kV/mm?5kV/mm下极化3?15min。
[0025]其中，炭黑为导电槽黑或乙炔炭黑中的一种，碳纳米管导电浆料为碳纳米管NMP导电浆料。
[0026]本发明制备的沥青基压电陶瓷压电复合材料突破传统的制备工艺。从材料的角度出发，在不影响材料内部结构的情况下，增强压电陶瓷颗粒间的导电联系，减小沥青对颗粒的隔离作用;从制备手法的角度出发，不是传统意义地将沥青与压电陶瓷粉均匀混合，而是将两种粒径的陶瓷粉分别与两种形态的导电材料混合，最后得到的混合物料中粒径分布更均匀，不同粒径的压电陶瓷粉充分发挥其压电性能。利用本实施方式制备的沥青基压电陶瓷压电复合材料极化时更充分，宏观上直接体现更好的压电响应。
[0027]采用下述试验验证本发明效果:
[0028]试验一:利用本发明方法通过以下步骤制备沥青基压电陶瓷压电复合材料:一、准备材料:按重量份数称取28份沥青、871份压电陶瓷粉、0.5份炭黑和0.5份碳纳米管导电浆料;二、过筛:将871份压电陶瓷粉过42目筛子得到349份粒径大于355μπι的压电陶瓷粉及525份粒径小于355μπι的压电陶瓷粉;三、混料:将步骤二中粒径小于355μπι的压电陶瓷粉和0.5份炭黑分散在80 0C的高浓度乙醇溶液中，在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液完全挥发完毕。将步骤二中粒径大于355μπι的压电陶瓷粉和0.5份碳纳米管导电浆料在室温状态下加入适量无水乙醇搅拌，直至无水乙醇完全挥发完毕。将两种混料在干燥箱中加热至150°C在搅拌速度为180rpm下搅拌5min，得到混合物料；四、成型并粘结电极;首先将步骤三中得到的混合物料注入模具压实成型，然后在室温下抛光处理，最后采用低温导电银浆涂覆在表面，形成电极；五、极化:将待极化材料放入40 °C娃油中，在电场强度为4kV/mm下极化lOmin。即得到沥青基压电陶瓷压电复合材料。
[0029]试验一步骤一中所述的0.5份炭黑为乙炔炭黑。
[0030]试验一步骤一中所述的0.5份碳纳米管导电浆料为碳纳米管NMP导电浆料。
[0031]试验二:用一般工艺通过以下步骤制备沥青基压电陶瓷压电复合材料:一、准备材料:按重量份数称取30份沥青和872份压电陶瓷粉;二、混料:将两种物料在干燥箱中加热至150°C在搅拌速度为180rpm下搅拌5min，得到混合物料;三、成型并粘结电极;首先将步骤二中得到的混合物料注入模具压实成型，然后在室温下抛光处理，最后采用低温导电银浆涂覆在表面，形成电极;五、极化:将待极化材料放入40 °C娃油中，在电场强度为4kV/mm下极化lOmin。即得到沥青基压电陶瓷压电复合材料。
[0032]性能检测:
[0033]对通过本发明方法制得的沥青基压电陶瓷压电复合材料和通过一般工艺制得的沥青基压电陶瓷压电复合材料进行检测，通过检测可知，沥青基压电陶瓷压电复合材料的压电应变常数d33分别为84pC/N和56pC/N，介电损耗TanS为1.9 X 10-2和4.8 X 10-2。由检测结果可见，利用本发明工艺使沥青基压电陶瓷压电复合材料极化更加充分，得到更好的压电响应。
【主权项】
1.获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法，其特征是: (1)按重量份数称取20?50份沥青、500?900份压电陶瓷粉、不大于2份的炭黑和不大于2份的碳纳米管导电楽料； (2)将500?900份压电陶瓷粉过40?50目筛子得到粒径大于或等于350μπι的压电陶瓷粉及粒径小于350μπι的压电陶瓷粉； (3)将步骤(2)中粒径小于350μπι的压电陶瓷粉和不大于2份的炭黑分散在80°C的乙醇溶液中，在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液完全挥发完毕;将步骤(2)中粒径大于或等于350μπι的压电陶瓷粉和不大于2份的碳纳米管导电浆料在室温状态下加入无水乙醇搅拌，直至无水乙醇完全挥发完毕;将上述得到的两种混料在干燥箱中加热至150°C在搅拌速度为180rpm下搅拌5min，得到混合物料； (4)将步骤(3)中得到的混合物料注入模具压实成型，在室温下抛光处理，采用低温导电银楽涂覆在表面，形成电极； (5)将电极放入30?60°C娃油中，在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化3?15min，即得到沥青基压电陶瓷压电复合材料。2.根据权利要求1所述的获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法，其特征是:所述的炭黑为导电槽黑或乙炔炭黑。3.根据权利要求1或2所述的获得促进沥青基压电陶瓷压电复合材料极化的制备方法，其特征是:所述的碳纳米管导电浆料为碳纳米管NMP导电浆料。
【文档编号】B82Y40/00GK105837178SQ201610147562
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】吕建福, 孙雷, 毛继泽, 杨凯, 尉天凤
【申请人】哈尔滨工程大学