压电陶瓷_聚合物复合材料的制备工艺及其性能研究进展.pdf

X
压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺及其性能研究进展

王树彬,韩杰才,杜善义
哈尔滨工业大学复合材料研究所,黑龙江哈尔滨150001

摘要:本文首先介绍了压电材料的种类和基本性能,然后介ham首次提出了压电陶瓷/聚合物复合材料的概念以来[2],无论
绍了在不同的应用背景下压电陶瓷/聚合物复合材料的十种连是在其理论研究,还是其性能研究、制备工艺以及应用开发方面
通方式,综述了这类压电材料的制备工艺,较全面地总结了前人都取得了许多重大成果。这类材料之所以受到人们特别的关
对这类压电材料的性能研究工作,展望了这类压电材料的应用注,首先是因为压电陶瓷/聚合物复合材料具有优异的综合性
前景和发展方向。能,更重要的是这类材料的性能具有可设计性,通过对压电复合
关键词:压电材料;压电陶瓷/聚合物复合材料;制备工艺;性材料的性能优化设计,可获得具有优异综合性能的新的压电材
能料。对于压电材料的性能而言,人们首先关心的是它的压电d
常数和压电g常数以及机电耦合系数K的大小,其次是它的制
1引言备工艺、稳定性等。压电d常数描述作为驱动材料运动和振动
随着高新技术的不断发展,作为促进现代社会进步三大支的能力,压电g常数描述的是作为传感器材料在低应力下可产
柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究生高的电压信号的能力,机电耦合系数K是表示压电体的机械
的热点领域。特别是进入本世纪七十年代以来,由于电子技术、能和电能耦合程度的参数,是衡量压电性强弱的重要物理量。
通讯和控制技术等高技术含量行业的迅速崛起,要求材料的功表1列出了一些主要压电材料和它们的性能。
能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高,使智能材料表1几种压电材料及其主要性能参数[3]
的研究更加受到人们的青睐。有人预言,二十一世纪的新材料Table1Severalpiezoelectricmaterialsandtheirmainproperties
-12-12
技术将是以智能材料为代表的时代,因此,开展智能材料的研究d33@10g33@10K
材料名称E
具有十分重大的战略意义。智能材料与结构是一类具有传感、C/NC/N%
驱动和控制功能于一体的材料系统,它具有类生物的功能,通过石英4.5-2.3-57.510
自身的感知和驱动属性,实现材料驱动功能与智能化;通过感知BaTiO3170019111.430
PZT120022339.530
与响应内外界环境的变化达到自适应的目的。目前可作为智
,,PVDF12302001.9
能材料系统中的执行材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致
压电陶瓷材料(如BaTiO3、PZT和PbTiO3等)具有很高介电
伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等;可作为传感材料的主要
性、较强的压电性和大的机电耦合系数等优点,但其成型温度较
有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料其中压电
,高、制备工艺较复杂、不易制得很薄的薄膜材料,并且由于它固
材料能够自适应于环境的变化实现机械能和电能之间的相互转
有的脆性,使压电陶瓷材料的应用受到很大限制;压电聚合物材
化具有集传感、执行和控制于一体的特有属性是智能材料系
,,料(如PVDF等)具有较高的介电性、较强的压电性并具有很高
统中的主导材料[1]。
的机械强度和很好的柔韧性等优点,但其使用温度较低,使其在
材料的压电现象最早是由法国的两位科学家J.Curie和P.应用上同样受到很大限制。将压电陶瓷与压电聚合物复合成的
Curie在研究石英晶体时发现的,自此以后在材料学界便引发了压电复合材料,克服了压电陶瓷材料自身的脆性和压电聚合物
一场压电材料研究热。人们首先根据材料的应用环境去规划材材料的温度限制,是智能材料系统与结构中最有前途的压电材
料的性能参数,进而对材料的开发、改性和制备工艺进行研究,料[4~6]。压电陶瓷/聚合物复合材料的性能不仅与材料的组成
经过近百年的发展,压电材料的种类已经由最初的压电晶体发成分、各组份的比例有关,而且与两相材料的连通方式关系也很
展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。其压电密切,压电陶瓷/聚合物复合材料是将压电陶瓷和压电聚合物按
功能的应用也由最初的拾音器、简单的换能器、滤波器被扩展到一定的连通方式、一定的体积或质量比例和一定的空间几何分
能源、信息和军事科学及其它高技术领域。布复合而成,其结果能够成倍地提高复合材料的某些压电性能,
一种单一成分的材料,要使其具有多种功能特性是很困难并具有原成分所没有的优良特性。按照两相材料的不同连通方
的,需要由几种材料的复合才能实现,材料的复合化技术赋予了式,压电陶瓷/聚合物复合材料有十种基本类型[2],通常以第一
压电材料新的契机,这种复合不是几种材料的简单组合,而是要个数字代表压电陶瓷的连通维数,