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压电材料的制备应用及其研究现状
压电材料的制备应用及其研究现状
马瑶
中南大学材料科学与工程学院材料1102班0607110203,湖南长沙)
摘要:
从压电材料的压电效应入手,介绍了压电材料的分类及结构组成。
针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,列出现阶段压电材料的制备技术。
综述了近年来压电材料的研究现状,并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。
关键字:
压电材料;压电效应;制备技术;应用;发展
1引言
随着高新技术的不断发展,作为促进现代社会进步三大支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、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、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,是智能材料系统中的主导材料[1]。
2压电材料概述
2.1压电效应
压电体,即在受外力情况下可产生电荷
(正压电性)或在受外电场情况下可产生形变(逆压电性)的电介质体。
1880年,法国著名科学家雅克·居里和皮埃尔·居里在对石英晶体的研究过程中首次发现正压电效应。
不久之后,二人通过理论分析及实验测试证实了逆压电性的存在。
在第一次世界大战中,法国物理学家朗之万利用石英晶体研制出第一个水声压电换能器。
随着压电研究的不断深入,目前压电材料被广泛应用于水声换能器、医用B超探头、超声马达、石油测井探测器、无损检测(NDE)以及压电驱动
器等领域[2~4]。
根据晶体结构学可知,一种晶体具有压电性的必要条件是该晶体晶格结构不存在对称中心[4]。
由此,自然界中32种不同晶体点群有20种晶体点群具有压电性,这其中又有10种点群具有自发极化。
自发极化是指晶体在不受任何外场作用下,由于晶胞固有偶极矩周期性排列所造成的晶体宏观极化强度。
2.2压电材料类别
第一类是复合压电材料,这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。
至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。
如果它制成水声换能器,不仅具有高的静水压响应速率,而且耐冲击,不易受损且可用与不同的深度。
第二类是有机压电材料,又称压电聚合物,如偏聚氟乙烯(PVDF)(薄膜)及其它为代表的其他有机压电(薄膜)材料。
这类材料及其材质柔韧,低密度,低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目,且发展十分迅速,现在水声超声测量,压力传感,引燃引爆等方面获得应用。
不足之处是压电应变常数(d)偏低,使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
第三类是无机压电材料,分为压电晶体和压电陶瓷,压电晶体一般是指压电单晶体;压电陶瓷则泛指压电多晶体。
3压电材料的制备方法
3.1无机压电材料块体的制备工艺
要制备块体压电材料,首先要制备压电材料粉末,然后在压力机下预压成坯体,分别在650℃和850℃预烧2h,再研磨粉碎。
在这里主要有2种方法形成块体。
(l)把粉末装人所需要形状的模具内加人PVA,在压力机下或采用等静压加l00MPa压力制成圆片(注意:
圆片的直径与厚度之比大于10),再把圆片放人刚玉板上,在圆片的周围撒一些践仇粉末,然后用刚玉增祸覆盖圆片(目的是使挥发的Pb在刚玉柑祸内形成保护气氛,从而减少配比中Pb的损失);或者在称量时多称量计算质量5%(一般在做实验时,上述2种方法都采用),一起放人高温炉中缓慢加温至4阅℃左右(除去PVA),保温0.5h,然后加温到12(X)℃下保温2h。
随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。
却就得到块体无机压电材料。
(2)把装有粉末的模具放人热压炉中加压烧结(保护Pb的损失可采用上面提到的方法),当加温到12℃下保温2h。
随炉自然冷
制备压电材料粉末主要有以下3种方法:
(l)直接混合球磨法以PZT为例。
将氧化铅、氧化错和氧化钦按一定摩尔比和一定量的无水乙醇(在实验室一般使用无水乙醇,目的是使粉料充分混合和渗透到磨细的颗粒表面,降低粉料的表面能,从而使颗粒不在团絮成大颗粒;在工业生产中,为了降低成本,可以使用蒸馏水代替无水乙醇,作用与无水乙醇一样,唯一的区别是无水乙醇能很快蒸发掉)加人球磨机中混匀后,在研钵中研磨使无水乙醇挥发。
(2)共沉淀法其基本原理是利用金属离子水解,再将水解的产物与其他离子反应。
精确控制沉淀条件可使溶液中的各种金属离子同时沉淀,然后将它们加热分解,生成复合金属氧化物的纳米粉末。
(3)溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是一种借助于胶体分散的制备方法。
由于胶体粒径都在几十纳米以下,且十分稳定,可以使各种金属离子均匀稳定地分布其中。
胶体经脱水后就变成凝胶,从而获得纳米粉[6,7]。
以PbTiO3为例,首先将含有结晶水的醋酸铅在80℃下脱水24h,冷却后把醋酸铅溶解在甲醇当中,然后在搅拌条件下滴于钦酸四丁醋形成淡黄色透明溶液,再加人适量水搅拌生成透明溶胶,放置3一5天使其发生水解一聚合反应,将凝胶在130℃条件下干燥8h,经研磨过筛,得到干胶粉末,最后分别在350℃和600℃温度下热处理2h,即可得到粒度在10一20nm之间的高纯度的PbTiO3陶瓷粉末[9]。
3.2无机/聚合物压电复合材料块体的制备
自从1978年美国宾州州立大学材料实验的R.E.Newnham首先提出简单立方模型和符号[6]。
复合材料中所含有相可以用O,1,2或3维方式自我连通。
如果复合材料山2个分量相组成,可以有10种连通方式,即0-0)于0-1,0-2,O-3,l-l,l-2,l-3,2-2,2-3,3-3符号的第1个数字代表陶瓷压电相的连通维数,第2个数字代表聚合物相的连通维数[6]。
根据上述结构,研究得最多的0-3,1-3,2-2,3-3。
3.2.10一3型
这种结构压电陶瓷/聚合物复合材料在三维互连的聚合物中填充压电陶瓷颗粒而形成的压电复合材料。
主要有以下几种制备方法:
(l)热压法将PZT粉与PVDF粉末相
混合,加入适量的溶剂搅拌均匀,待有机溶剂完全挥发后,将混合粉料加入XQ-2金属镶嵌机中,在180℃左右热压成型,自然冷却至室
温,然后取出样品,样品的直径为22mm厚,度d=0.20-0.30mm。
(2)轧膜法将PVDF粉末加入热炼机
XKR-160二辊之间加热,在180℃左右,PVDF充分软化,至半熔融状态并包覆滚筒后缓慢加入PZT粉末,,轧膜成型,自然冷却至室温,取膜,并冲成直径为小二22mm厚,度为d=0.20-0.30mm的图片[10]。
(3)将环氧树脂分别与PZT粉末均匀混合,利用树脂的成型性,制成0-3型复合材料[11]
。
(4)模压工艺将配成PZT粉末混合均匀后,一个自制的上、下二面带有保压夹具的模具里一定的压力制成直径为24mm厚,度
为lmm的圆片,然后将带有保压夹具的模具移入烘箱中,使PVDF在180一305℃下固化即得到了以PZT/PVDF复合材料[12,13]。
(5)作者试用一种改进方法把PZT、PVDF和无水乙醇按比例混合后在球磨罐中球磨4h,在研磨中用手研磨使无水乙醇挥发,再在压力机下加压l00MPa成型成圆片,然后在干燥箱中对已经成型好的压电材料在200℃左右
进行固化24h。
随炉自然冷却即可制备成0-3型结构的压电复合材料。
3.2.21-3型
这种结构压电陶瓷/聚合物复合材料是指由一维的压电陶瓷柱平行地排列于聚合物当中形成的压电复合材料。
制备1-3型复合材料的方法主要有排列一浇铸法、切割一填充法、模具浇铸成型和注射法。
(l)排列一浇铸法这是较早采用的一种方法,取一对薄铜片,同轴平行固定在支架上,在铜片相对位置打孔;孔的数量和大小由V和w/t决定(其中V表示PZT相的体积百分比、w/t表示PZT宽带与高度之比),是l-3型在孔中插入事先准备好的PZT细棒,然后一起放入塑料圆筒内,在真空条件下浇铸环氧等聚合物,高温固化,再切割成所需厚度的薄圆片,就成为l-3型压电复合材料。
(2)切割一浇铸是指取一片具有一定厚度的PZT圆片,粘在一个平面基座上,在PZT圆片平面内相互垂直的2个方向上切割,切割的宽度和深度要满足V和w/t的要求。
然后把样品放入塑料圆筒内,在真空条件下浇铸环氧,高温固化,去掉基座,磨去未切割的部分,就成为l-3型压电复合材料。
(3)模具浇铸成型法是一种新的制备方法,可以制备出陶瓷柱大小、形状、间距灵活的复合材料,而且制备过程简单,可以沿用传统陶瓷加工工艺。
(4)
状的纤维一树脂混合料从注射机的料斗送人
注射法注射成型是将粉末或粉
机筒内,加热融化后由柱塞或螺杆加压,通过喷嘴注人温度降低的闭合模内,经过冷却定型后,脱模得制品它同样可获得多种大小、形状、间距不同的棒体[14-18]。
(5)排列一压制一固化一砂磨法作者拟采用改进后的工艺,就是将陶瓷棒事先在模板上插好,放入压模中,然后在压模中加人有机压电材料粉末(过量),在压力l00MPa下形成圆片状。
取出在干燥箱中已经成型好的压电材料,在200℃左右固化24h。
随炉自然冷却后,磨去多余的有机压电材料就得到l-3型压电复合材料。
3.2.32-2型
这种结构的压电复合材料各相的连通方式就是陶瓷相与聚合物相分别在二维方向上相互平行[19]。
制备2-2型复合材料一般采用热压法、层叠一浸渍法和切割一填充法。
(l)热压法以PZT陶瓷片作为陶瓷相,以PVDF粉末填入作为聚合物相,在镶嵌内逐层排列达到所需要的厚度后,加热至180℃左右,加压成型,然后自然冷却至室温。
(2)层叠一浸渍法将PZT片按要求
的层数叠好,浸渍在环氧树脂或硅胶中,在80℃左右固化成型,最后经过整形即可。
(3)切割一填充法烧结好的PZT陶瓷块经过切割和一次填充即可制得2-2型复
合材料[19-21]
(4)边压边加料成型法作者采用的改进工艺就是在压力
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