专利名称：磁－力－电耦合效应中聚合物相的交联改性方法
技术领域：
本发明涉及一种通过改变磁-力-电耦合效应中聚合物相的结构，减少磁-力-电耦合效应中应力损耗，从而提高压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料和压电陶瓷与聚合物复合材料的压电性能和磁电性能、解决传递相作为惰性相影响复合材料功能性的问题的方法。
背景技术：
铁电与铁磁及聚合物复合材料不仅具备铁电材料的压电效应、铁磁材料的磁质伸缩效应，而且通过铁电相与铁磁相的磁-力-电耦合具有磁电性能。由于铁电材料与铁磁材料很难复合在一起，因此需要通过聚合物的粘结进行复合实现磁-力-电耦合而具有磁电性能。但是作为传递相的聚合物由于模量等结构因素的影响，使复合材料在磁-力-电耦合中产生较大的应力损耗，因此大大降低铁电/铁磁复合材料的压电性能和磁电性能。因此改变聚合物的强度与刚度，使聚合物相结构化，可以减少磁-力-电耦合效应中的应力损耗，提高复合材料的功能性。
在聚合物与压电陶瓷复合材料中，压电陶瓷相为功能相，使复合材料具有较高的压电性能。锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)、钛酸钡(BT)、铌镁钛酸铅、各种PZT掺杂改性陶瓷和三元陶瓷具有较高的压电性能，如PZT的压电常数d33可达400～500pC/N，PT可达100pC/N，但由于自身脆性较大，常利用聚合物的柔韧性制备压电复合材料改善压电陶瓷的加工性能。从已有的文献可以看出，制备压电复合材料，可选择的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂、橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))以及尼龙等。但聚合物的引入，复合材料的压电性能大幅度降低，以PZT/PVDF为例，较为理想、可以使用的PZT与PVDF复合材料的压电常数d33最大可达60pC/N，这主要是由于PVDF的应力损耗影响了复合材料中的力-电传递。在铁电与铁磁及聚合物复合材料中，由于力-电传递影响了铁电与铁磁及聚合物复合材料的压电性能，继而也影响了复合材料的磁电性能。
交联是提高聚合物强度、刚度的主要方法。线性聚合物可以通过化学方法或辐照方法进行交联，交联程度影响着聚合物的模量等因素；多相聚合物通过共混形成互穿聚合物网络也可以提高聚合物的强度与刚度。
发明内容
本发明主要解决现有可以交联的聚合物的压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料，压电陶瓷与聚合物复合材料由于聚合物的应力损耗造成的压电性能、磁电性能较低的问题，提供一种聚合物的结构改性方法，通过对复合材料中的聚合物进行交联改性，提高复合材料中聚合物的刚度与强度，从而减少复合材料中聚合物的应力损耗，来提高压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料，压电陶瓷与聚合物复合材料的压电性能和磁电性能。
实现本发明的技术方案为一种提高可交联聚合物的压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料或压电陶瓷与聚合物复合材料的压电性能和磁电性能的方法，复合材料中可以交联的聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、橡胶、尼龙，其特征是使线性聚合物形成交联结构。采用化学交联或辐射交联的方法使线性聚合物形成交联结构。
所述的化学交联方法是在压电陶瓷、铁磁材料和聚合物中加入交联剂或引发剂，按体积比为聚合物15～30％，铁磁材料0～50％，其余为压电陶瓷，外加引发剂为聚合物体积的0.1～5％，交联剂为聚合物体积的10～30％进行混合、然后在所用聚合物的粘流温度Tf±5～10℃，压力为10～20MPa下热压成型，成型时间15～30min，使复合材料中聚合物形成交联结构；其中所述的压电陶瓷为锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)、钛酸钡(BT)、铌镁钛酸铅、PZT掺杂改性陶瓷和三元陶瓷，所述的铁磁材料为铽镝铁(Terfenol-D)；所述的交联剂为硫磺、金属氧化物、有机过氧化物；所述的引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰。
所述的辐射交联方法是将压电陶瓷、铁磁材料和聚合物按体积比为聚合物15～30％，铁磁材料0～50％，其余为压电陶瓷进行混合，然后于室温5～10MPa压力下冷压成型，最后在辐射源的照射下，使复合材料中聚合物形成交联结构；其中所述的压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡、铌镁钛酸铅、锆钛酸铅掺杂改性陶瓷和三元陶瓷；所述的铁磁材料为铽镝铁；所述的辐射强度为200～2000kGy。
具体实施例方式
实施例1将PZT、Terfenol-D、环氧树脂和顺丁烯二酸酐按体积比为81∶6∶10∶3进行混合、于室温5MPa压力下冷压成型，在110℃恒温2h，进行固化，固化后得到复合材料，复合材料的压电常数d33可以达到55pC/N，磁电转换系数αE33为60mV/cm Oe。
实施例2将PVDF与PZT按30∶70体积比在170℃热压成型，时间30min，压力10MPa，复合材料厚度为0.2～0.5mm，样品取吸收剂量200kGy辐照，复合材料的压电常数d33可以达到70pC/N。
实施例3将PT、PE、Terfenol-D按75∶20∶5体积比在160℃混炼成型，时间15min，复合材料厚度为0.2～0.5mm，样品取吸收剂量2000kGy辐照。复合材料的压电常数d33可以达到48pC/N。
实施例4将PZT、Terfenol-D、酚醛树脂和六次甲基四胺按体积比为76∶6∶15∶3进行混合、于室温10MPa压力下冷压成型，在80℃压力10MPa进行热压，热压时间20min，然后在130℃进行恒温15min，固化后得到复合材料，复合材料的压电常数d33可以达到45～62pC/N，磁电转换系数αE33为48～60mV/cm Oe。
实施例5将PZT、乙丙橡胶和过氧化异丙苯在按体积比为76∶21∶3，在150℃塑炼成型，在25MPa下保压固化后得到复合材料，复合材料的压电常数d33可以达到56～64pC/N。
权利要求
1.一种提高可交联聚合物的压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料或压电陶瓷与聚合物复合材料的压电性能和磁电性能的方法，复合材料中可交联聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、橡胶、尼龙，其特征是使线性聚合物形成交联结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是采用化学交联方法，其方法是在压电陶瓷、铁磁材料和聚合物中加入交联剂或引发剂，按体积比为聚合物15～30％，铁磁材料0～50％，其余为压电陶瓷，外加引发剂为聚合物体积的0.1～5％，交联剂为聚合物体积的10～30％进行混合、然后在所用聚合物的粘流温度Tf±5～10℃，压力为10～20MPa下热压成型，成型时间15～30min，使复合材料中聚合物形成交联结构；其中所述的压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡、铌镁钛酸铅、锆钛酸铅掺杂改性陶瓷和三元陶瓷；所述的铁磁材料为铽镝铁；所述的交联剂为硫磺、金属氧化物、有机过氧化物；所述的引发剂为过氧化二异苯、过氧化苯甲酰。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是采用辐射交联的方法，其方法是将压电陶瓷、铁磁材料和聚合物按体积比为聚合物15～30％，铁磁材料0～50％，其余为压电陶瓷进行混合，然后于室温5～10MPa压力下冷压成型，最后在辐射源的照射下，使复合材料中聚合物形成交联结构；其中所述的压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡、铌镁钛酸铅、锆钛酸铅掺杂改性陶瓷和三元陶瓷；所述的铁磁材料为铽镝铁；所述的辐射强度200～2000kGy。
全文摘要
一种提高可交联聚合物的压电陶瓷与聚合物及铁磁材料复合材料或压电陶瓷与聚合物复合材料的压电性能和磁电性能的方法，复合材料中可交联聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、橡胶、尼龙，其特征是采用化学交联或辐射交联的方法使线性聚合物形成交联结构，化学交联方法是在压电陶瓷、铁磁材料和聚合物中加入交联剂或引发剂，进行混合、热压成型；辐射交联方法是，将压电陶瓷、铁磁材料和聚合物进行混合、室温冷压成型，在辐射源的照射下，使复合材料中聚合物交联。
文档编号C08L61/06GK1654511SQ20051001820
公开日2005年8月17日 申请日期2005年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者董丽杰, 熊传溪, 权红英 申请人:武汉理工大学