一種陶瓷/樹脂壓電復(fù)合物的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種陶瓷/樹脂壓電復(fù)合物的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物因其具有比單一的壓電陶瓷更優(yōu)良的性能(例如，高耦合，低聲阻抗等)而備受關(guān)注，且被廣泛地用于超聲傳感器領(lǐng)域。陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物其特點之一就是其在“硬”的陶瓷和“軟”的有機樹脂之間的應(yīng)力傳遞性能；其可使復(fù)合物具有較高的壓電性能，同時能減少復(fù)合物的有效聲阻抗，且降低橫向振動的傳播，從而使復(fù)合物更加適合于水下和醫(yī)療的應(yīng)用。
[0003]2-2型結(jié)構(gòu)是最常見壓電復(fù)合物的連接方式之一。第一個數(shù)字代表壓電相(通常為壓電陶瓷)的連接維數(shù)；第二個數(shù)字代表非壓電相的連接維數(shù)，由Newnham提出。壓電復(fù)合物的設(shè)計以及制備都非常關(guān)鍵，因為這些工藝可以顯著地影響復(fù)合物的壓電性能。當(dāng)前，很多技術(shù)可以用來制備壓電(陶瓷一有機)復(fù)合物，例如dice and fill，注射成型(Injecton moulding)。傳統(tǒng)的dice and fill技術(shù)受限于切片刀的厚度，特別是用來制備高頻用的壓電復(fù)合物。近幾年實體自由成型技術(shù)(Solid freeform fabricat1ntechniques)也用來制備2-2型壓電復(fù)合物，但成本相對較高。
[0004]近來特別是在Zhang和Deville相繼在Nature Materials和Science發(fā)表文章之后，冷凍干燥法作為多孔材料的制備方法因其簡單且環(huán)保等特點而備受關(guān)注。國內(nèi)外大量的工作專注于利用冷凍干燥法制備多孔陶瓷和力學(xué)性能的評估。然而，對于功能性方面卻鮮有報道。這種片狀的排列方式與前面提到的2-2型壓電復(fù)合物的結(jié)構(gòu)十分相似，可以對此結(jié)構(gòu)加以利用，發(fā)掘其功能方向的應(yīng)用。所以本發(fā)明人試圖從這一角度出發(fā)，通過利用冷凍干燥法來獲得具有片狀結(jié)構(gòu)的多孔壓電陶瓷，進而填充環(huán)氧樹脂來獲得2-2型結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合物，簡化2-2型壓電復(fù)合物的制造工藝，降低生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種2-2型陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物的制備方法，具體來講本發(fā)明的目的是提出一種通過冷凍干燥法制得具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔壓電陶瓷，進而填充環(huán)氧樹脂獲得2-2型壓電復(fù)合物的材料成型方法，與其他2-2型壓電復(fù)合物制備方法相比，此方法是一種易操作、成本低、環(huán)保型的成型方法。本發(fā)明的核心是利用以水為溶劑的壓電陶瓷漿料，以液氮為冷卻介質(zhì)，通過冷凍干燥法來得到具有片式結(jié)構(gòu)的多孔壓電陶瓷。
[0006]本發(fā)明通過以下具體工藝步驟實施:
[0007]步驟(1):取適量分散劑加入去離子水中，將稱量好的壓電陶瓷粉體加入其中并球磨，制得穩(wěn)定的陶瓷懸浮液；
[0008]步驟(2):將粘合劑加入步驟(1)得到的陶瓷懸浮液中并攪拌，將攪拌后的懸浮液注入單面開口的PDMS(polydimethylsiloxane)有機軟模中，真空排氣泡后用銅箔將其開口封閉；
[0009]步驟(3):然后將有機軟模倒置并移入冷卻裝置中的金屬冷板上，冷卻裝置以液氮作為冷卻介質(zhì)，冷凍溫度為-100?o°c，直至有機軟模中的試樣完全冷凍；
[0010]步驟(4):將冷凍完全的試樣脫模，并轉(zhuǎn)移至真空冷凍干燥機內(nèi)，使冰晶升華，即可得到具有層狀以及多孔結(jié)構(gòu)的素坯，其中冷凍干燥溫度為-40?0°C，干燥時間為24hrs ；
[0011]步驟(5):將步驟⑷中的素坯燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100?1350°C，保溫時間為2hrs,即可得到具有層狀以及多孔結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷；
[0012]步驟￠):將步驟(5)獲得的壓電陶瓷放入環(huán)氧樹脂與固化劑的混合物中，抽真空以便樹脂混合物填充進壓電陶瓷中；
[0013]步驟(7):將步驟(6)所得的樣品移入恒溫烘箱完全固化；
[0014]步驟(8):將步驟(7)中完全固化的樣品切割，選取上半部分，即遠離冷端的部分，和中間部分，即可獲得具有2-2型陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物。
[0015]因為采用液氮為冷卻介質(zhì)，可以使裝置獲得較寬的冷卻速率范圍，從而可以擴大陶瓷壁厚的可調(diào)范圍(在冷凍干燥法中，通常情況下，較高的冷卻速率會使陶瓷壁厚變細，較小的冷卻速率會使陶瓷壁厚變寬)，使得應(yīng)用更加廣泛。此外，此發(fā)明具有普適性，可以適用于多種壓電材料，比如鋯鈦酸鉛(PZT)，鈦酸鋇(BaTi03)等。
[0016]總之，利用此發(fā)明來制備2-2型陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物具有如下特點:
[0017]設(shè)備簡單，容易操作，可控性強，可以大大降低壓電復(fù)合物的生產(chǎn)成本；由于以水為造孔劑，對環(huán)境無污染，此外較少的引入有機粘合劑，是一種較為環(huán)保的成型方法。
【附圖說明】
[0018]圖1過量分散劑引起的分層現(xiàn)象和正常樣品的光學(xué)照片；
[0019]圖2本發(fā)明所用PDMS有機軟模的光學(xué)照片；
[0020]圖3本發(fā)明所用冷凍干燥法冷卻裝置示意圖；
[0021]圖4具有片狀結(jié)構(gòu)的PZT陶瓷低放大倍數(shù)掃描電鏡照片(源自70wt.% PZT懸浮液)；
[0022]圖5冷凍干燥法制備2-2型壓電復(fù)合物工藝流程示例圖；
[0023]圖6固相含量、壓電復(fù)合物壓電系數(shù)d33隨壓電相體積變化圖；
[0024]圖7利用不同固相含量的漿料獲得的壓電復(fù)合物(厚度1.5_)的阻抗譜圖(a)llvol% (b)16vol% (c)23vol% (d) 25vol% ；
[0025]圖8 60wt.%片狀PZT以及其樹脂復(fù)合物的掃描電鏡照片；
[0026]圖9 70wt.%片狀PZT、陶瓷壁以及其樹脂復(fù)合物的掃描電鏡照片。
具體實施例
[0027]下面結(jié)合附圖1-9對其進行說明；
[0028]實例1:
[0029]在60mL的聚乙烯塑料瓶中，稱量25g去離子水，加入含有純NH4PAA 0.03g的分散劑若干滴，攪拌均勻；稱量25g鋯鈦酸鉛(PZT)，在持續(xù)攪拌下緩慢加入聚乙烯塑料瓶中，并加入適量的氧化鋯磨球，球磨24hrs。將3wt.% (基于陶瓷粉干重)B-1000和2wt.%B-1007(基于陶瓷粉干重)粘合劑(acrylic polymer emuls1n)加入磨瓶中。將磨瓶置于球磨機上緩慢球磨半小時后，將懸浮液注入單面開口的PDMS(polydimethylsiloxane)有機軟模中(如圖2所示)，真空排氣泡后(半小時)用銅箔將其開口封閉。將有機軟模倒置放于銅金屬冷板上(如圖3所示)開始冷凍。待冷凍完全后，將試樣脫模并移至真空冷凍干燥機內(nèi)使冰晶升華(_40°C )24hrs，即可得到如圖1中所示的PZT素坯。將冷凍干燥好的層狀PZT素坯在1200°C燒結(jié)2hrs得到片狀PZT陶瓷。按供應(yīng)商提供的比例稱量環(huán)氧樹脂和固化劑，攪拌后置于真空干燥器中，待用；將片狀PZT陶瓷置于環(huán)氧樹脂與固化劑的混合物中，抽真空2hrs，之后將樣品移入恒溫烘箱50°C固化；待固化完全后，將樣品切割，選取上半部分，即遠離冷端的部分，和中間部分即可獲得具有2-2型陶瓷一樹脂壓電復(fù)合物圓片。其壓電系數(shù)d33為103pC/N，如圖6所示。阻抗譜見圖7