專利名稱：磁－力－電耦合效應(yīng)中聚合物的取向改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過改變磁-力-電耦合效應(yīng)中惰性相聚合物的結(jié)構(gòu)，減少磁-力-電耦合效應(yīng)中應(yīng)力損耗，從而提高壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料和壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能、解決傳遞相作為惰性相影響復(fù)合材料功能性的問題的方法。
背景技術(shù)：
鐵電與鐵磁及聚合物復(fù)合材料不僅具備鐵電材料的壓電效應(yīng)、鐵磁材料的磁質(zhì)伸縮效應(yīng)，而且通過鐵電相與鐵磁相的磁-力-電耦合具有磁電性能。由于鐵電材料與鐵磁材料兩相很難通過傳統(tǒng)的燒結(jié)法復(fù)合在一起，因此需要與聚合物復(fù)合，通過聚合物的粘結(jié)實(shí)現(xiàn)磁-力-電耦合而具有磁電性能。但是作為惰性相的聚合物由于模量等結(jié)構(gòu)因素的影響，在磁-力-電耦合中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力損耗，因此會大大降低鐵電與鐵磁復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能。因此鐵電與鐵磁及聚合物復(fù)合材料的功能性主要受到聚合物結(jié)構(gòu)的影響。改變聚合物的強(qiáng)度與剛度，使聚合物結(jié)構(gòu)化，可以減少磁-力-電耦合效應(yīng)中的應(yīng)力損耗，從而提高復(fù)合材料的功能性。
結(jié)晶、取向與交聯(lián)是提高聚合物強(qiáng)度、剛度的主要方法。取向是通過外力的作用，通過聚合物的取向單元，如微晶、鏈段或整個(gè)分子鏈的定向排列，改變聚合物的微觀結(jié)構(gòu)，提高聚合物的強(qiáng)度與剛度。
在聚合物與壓電陶瓷復(fù)合材料中，壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PT)、鈦酸鋇(BT)、鈮鎂鈦酸鉛、各種PZT摻雜改性陶瓷和三元陶瓷具有較高的壓電性能，如PZT的壓電常數(shù)d33可達(dá)400～500pC/N，PT可達(dá)100pC/N，但由于自身脆性較大，常利用聚合物的柔韌性制備壓電復(fù)合材料改善壓電陶瓷的加工性能。從已有的文獻(xiàn)可以看出，制備壓電復(fù)合材料，可選擇的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯與三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))以及尼龍等，但聚合物的引入，復(fù)合材料的壓電性能大幅度降低，以PZT與PVDF復(fù)合材料為例，較為理想、可以使用的PZT與PVDF復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33最大可達(dá)60pC/N，這主要是由于PVDF的應(yīng)力損耗影響了復(fù)合材料中的力-電傳遞。在鐵電與鐵磁及聚合物復(fù)合材料中，聚合物的應(yīng)力損耗同樣影響復(fù)合材料的壓電性能，繼而也影響了復(fù)合材料的磁電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料，壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料由于聚合物的應(yīng)力損耗造成的壓電性能和磁電性能較低的問題，提供一種改變聚合物結(jié)構(gòu)的方法來提高壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料，壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為一種提高壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料，壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能的方法，聚合物為聚乙烯醇縮醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)或尼龍，采用聚合物取向改性的方法，其方法為按體積百分比為聚合物15～50％，鐵磁材料0～12％，其余為壓電陶瓷，稱取壓電陶瓷、鐵磁材料和聚合物，在聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上、熔點(diǎn)Tm以下，將聚合物在開煉機(jī)上加入壓電陶瓷粉和鐵磁材料混煉成片，控制開煉機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為10～30r/min，混煉時(shí)間20～30min即得到壓電性能和磁電性能得到提高的復(fù)合材料。
其中所述的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PT)、鈦酸鋇(BT)、鈮鎂鈦酸鉛、PZT摻雜改性陶瓷和三元陶瓷，所述的鐵磁材料為鋱鏑鐵(Terfenol-D)本發(fā)明通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。


圖1是開煉成型復(fù)合材料的SEM照片。
圖2是模壓成型復(fù)合材料的SEM照片從圖1和圖2對比可以看出，開煉成型復(fù)合材料中聚合物PVDF被拉伸取向，聚合物成絲狀，模壓成型復(fù)合材料中PVDF聚集成團(tuán)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將PVDF與PZT按30∶70體積比稱取，在140℃下，在開煉機(jī)上加入PVDF與PZT，混煉轉(zhuǎn)速為15r/min，混煉時(shí)間25min，通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。開煉成型復(fù)合材料的SEM對比照片見圖1，模壓成型復(fù)合材料的SEM照片見圖2。開煉成型復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為85pC/N，模壓成型復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為50pC/N。
實(shí)施例2將PVDF、PZT與Terfenol-D按40∶55∶5體積比稱取，在135℃下，在開煉機(jī)上加入PVDF、PZT與Terfenol-D，控制轉(zhuǎn)速在20r/min，混煉時(shí)間30min，通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為65mV/cm Oe。
實(shí)施例3將PE、PZT與Terfenol-D按25∶70∶5體積比稱取，在125℃下，在開煉機(jī)上加入PE、PZT與Terfenol-D，混煉轉(zhuǎn)速20r/min，混煉時(shí)間25min，通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為72mV/cm Oe。
實(shí)施例4將聚乙烯醇縮丁醛與PT按30∶70體積比稱取，在120℃下，在開煉機(jī)上進(jìn)行混煉，控制開煉機(jī)轉(zhuǎn)速為10r/min，混煉時(shí)間20min通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為65pC/N。
實(shí)施例5將共聚尼龍、PZT與Terfenol-D按30∶65∶5體積比稱取，在160℃下，在開煉機(jī)上加入共聚尼龍、PZT與Terfenol-D，控制轉(zhuǎn)速30r/min，混煉時(shí)間25min，通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為85mV/cm Oe。
實(shí)施例6將PP、PZT與Terfenol-D按35∶60∶5體積比稱取，在160℃下，在開煉機(jī)上加入PP、PZT與Terfenol-D，控制轉(zhuǎn)速20r/min，混煉時(shí)間30min，通過開煉機(jī)的剪切力與混合時(shí)的拉伸力使復(fù)合材料成片，得到聚合物取向的復(fù)合材料。復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為55mV/cm Oe。
權(quán)利要求
1.一種提高壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料，壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能的方法，聚合物為聚乙烯醇縮醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯，聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或尼龍，其特征是按體積百分比為聚合物15～50％，鐵磁材料0～12％，其余為壓電陶瓷，稱取壓電陶瓷、鐵磁材料和聚合物，在聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上、熔點(diǎn)Tm以下，將聚合物在開煉機(jī)上加入壓電陶瓷粉和鐵磁材料混煉成片，控制開煉機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為10～30r/min，混煉時(shí)間20～30min，即得到壓電性能和磁電性能得到提高的復(fù)合材料，其中所述的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛摻雜改性陶瓷和三元陶瓷，所述的鐵磁材料為鋱鏑鐵。
全文摘要
一種提高壓電陶瓷與聚合物及鐵磁材料復(fù)合材料，壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能的方法，其中所述的聚合物為聚乙烯醇縮醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯，聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或尼龍，所述的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛摻雜改性陶瓷和三元陶瓷，所述的鐵磁材料為鋱鏑鐵。
文檔編號C08L23/02GK1670073SQ20051001822
公開日2005年9月21日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者董麗杰, 熊傳溪, 權(quán)紅英 申請人:武漢理工大學(xué)