一種路用壓電復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及的一種路用壓電復合材料及其制備方法，其是由壓電陶瓷和聚偏氟乙烯以及鈦酸酯偶聯劑和黑炭黑，壓電陶瓷1份，聚偏氟乙烯0.24份，鈦酸酯偶聯劑0.2～0.3份，黑炭黑0.4～0.8份，通過熱壓法壓制，大大提高了復合材料的結晶度，材料的力學性能提高(韌性增強)，同時也提高了壓電材料兩相界面能，從而促進了材料的極化過程，此外，通過高壓直流電場極化，大大提高材料的壓電性能，本發明專利技術工藝簡單，成本低廉，可制備出綜合性能優異的路用壓電復合材料，可制備大尺寸壓電復合薄膜，有望應用于隧道、收費站減速帶、橋頭跳車路段等，實現產業化生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于路用材料的研究
，具體涉及一種路用壓電陶瓷/聚合物的復合材料及其制備方法。
技術介紹
隨著我國社會經濟發展，能源消耗越來越大。傳統能源已出現短缺，這加速了人們對可再生能源、綠色能源的重視與研究，尤其是關于電能的采集和利用。眾所周知，各種交通工具在行駛過程中會產生大量的機械能，如果將這部分機械能轉換為人類可利用的電能，一方面可以帶來巨大的經濟效益和環境效益。這種產生電能的方式是環保清潔的，同時減小對能源的損耗；另一方面可以減小路面的振動和變形，減少路面結構損傷等，具有非常廣闊的應用前景。壓電材料的研究與應用對于路面的機械能回收技術起著至關重要的作用，目前國內外的研究主要集中在壓電材料的電能收集方面，而對適于道路發電技術的壓電材料制備寥寥無幾。在進行道路能源收集時，由于路面收到低頻、高應力的車輛荷載作用，且長時間處于惡劣的自然環境當中，壓電材料不僅要具有較好的壓電性能、介電性能及壓電耦合性能，還應具有高的抵抗環境破壞作用的能力，因此，壓電材料的耐久性和壓電性能在道路環境中的應用均發揮著重要作用，兩者缺一不可。傳統的壓電陶瓷的壓電性能和介電性能非常好，但其硬而脆的特性使它的成型較為困難，并且抗交通荷載沖擊性能較差，在動態交通荷載作用下很容易發生疲勞裂紋，產生脆性斷裂。
技術實現思路
為了克服現有壓電材料在路用性能方面的不足，本專利技術提供了一種壓電性能高，同時又能抵抗車輛荷載反復作用、力學性能優良的路用壓電復合材料。同時本專利技術還提供了上述路用壓電復合材料的制備方法。本專利技術實現上述目的所采用的技術方案是：該路用壓電復合材料，包括壓電陶瓷和聚偏氟乙烯，還包括鈦酸酯偶聯劑和黑炭黑，各原料的質量份配比為：各原料的質量份配比優選為：上述的路用壓電復合材料的制備方法，由以下步驟組成：(1)按照質量配比稱取壓電陶瓷、聚偏氟乙烯、鈦酸酯偶聯劑以及黑炭黑，混勻，研磨至粉末狀，加入無水乙醇至完全溶解，攪拌至混合均勻后碾磨并壓制成直徑13±1mm、厚度1±0.2mm的片狀試樣，烘箱中80～120℃下干燥11～13分鐘，備用；(2)將步驟(1)的配料放入熱壓模具中熱壓成型，使熱壓壓強達到23～27MPa，加熱至160～200℃后保溫20～40min，保壓20～40min，取出試樣；(3)采用常規涂覆免燒銀漿的方法在試樣表面鍍銀；(4)將鍍銀后的試樣置于恒溫油浴鍋中加熱至80～120℃，在試樣兩端施加高壓直流電場，極化場強為3～5kV/mm，極化時間為30～40min，使試樣內部電疇沿電場方向排列有序，即得到路用壓電復合材料。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：1、本專利技術在原有的壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)PZT/聚偏氟乙烯PVDF基礎上添加了適量的鈦酸酯偶聯劑，從而改善了復合材料的兩相界面狀態，提升復合材料的介電性能和力學性能。2、本專利技術將導電黑炭黑作為摻雜相與鈦酸酯偶聯劑產生配合，產生協同效果，促進復合材料能夠在較低電場強度下極化，并且增加了陶瓷相中具有壓電功能相四方相(002晶面和200晶面)的數量，極化程度增強，提高材料的介電性能和力學性能。3、將本專利技術的各原料通過熱壓法壓制，大大提高了復合材料的結晶度，材料的力學性能提高(韌性增強)，同時也提高了壓電材料兩相界面能，從而促進了材料的極化過程，此外，通過高壓直流電場極化，大大提高材料的路用壓電性能。本專利技術工藝簡單，成本低廉，可制備出綜合性能優異的路用壓電復合材料，可制備大尺寸壓電復合薄膜，有望應用于隧道、收費站減速帶、橋頭跳車路段等，實現產業化生產。附圖說明圖1為對比例1的XRD圖。圖2為實施例1和對比例2的XRD對比圖。圖3為實施例1的SEM圖譜。圖4為對比例1的SEM圖譜。圖5為對比例2的SEM圖譜。具體實施方式現結合附圖和實施例對本專利技術的技術方案進行進一步說明，但是本專利技術不僅限于下述的實施方式。實施例1現以100gPZT‐5H壓電陶瓷為基料，制備本專利技術的路用壓電復合材料所用各原料及配比如下：本實施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的熔點Tm＝167℃，密度ρ為1.75～1.78g/cm3，聚偏氟乙烯的數均分子量是825000，黑炭黑的型號為N570。制備上述路用壓電復合材料的方法由以下步驟組成：(1)按照質量配比稱取壓電陶瓷、聚偏氟乙烯、鈦酸酯偶聯劑以及黑炭黑，混勻，研磨至粉末狀，加入無水乙醇至完全溶解，攪拌至混合均勻后碾磨并壓制成直徑13±1mm、厚度1±0.2mm的片狀試樣，烘箱中100℃下干燥12分鐘，備用；(2)將步驟(1)的配料放入熱壓模具中熱壓成型，使熱壓壓強達到25MPa，加熱至180℃后保溫30min，保壓30min，取出試樣；(3)采用常規涂覆免燒銀漿的方法在試樣表面鍍銀；(4)將鍍銀后的試樣置于恒溫油浴鍋中加熱至100℃，在試樣兩端施加高壓直流電場，極化場強為4kV/mm，極化時間為35min，使試樣內部電疇沿電場方向排列有序，即得到路用壓電復合材料。實施例2現以100gPZT‐5H壓電陶瓷為基料，制備本專利技術的路用壓電復合材料所用各原料及配比如下：本實施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的密度ρ＝1.75g/cm3，熔點Tm＝167℃，數均分子量是825000，黑炭黑的型號為N234。制備上述路用壓電復合材料的方法由以下步驟組成：(1)按照質量配比稱取壓電陶瓷、聚偏氟乙烯、鈦酸酯偶聯劑以及黑炭黑，混勻，研磨至粉末狀，加入無水乙醇至完全溶解，攪拌至混合均勻后碾磨并壓制成直徑13±1mm、厚度1±0.2mm的片狀試樣，烘箱中80℃下干燥13分鐘，備用；(2)將步驟(1)的配料放入熱壓模具中熱壓成型，使熱壓壓強達到23MPa，加熱至160℃后保溫40min，保壓40min，取出試樣；(3)采用常規涂覆免燒銀漿的方法在試樣表面鍍銀；(4)將鍍銀后的試樣置于恒溫油浴鍋中加熱至80℃，在試樣兩端施加高壓直流電場，極化場強為3kV/mm，極化時間為40min，使試樣內部電疇沿電場方向排列有序，即得到路用壓電復合材料。實施例3現以100gPZT‐5H壓電陶瓷為基料，制備本專利技術的路用壓電復合材料所用各原料及配比如下：本實施例所用聚偏氟乙烯(PVDF)的數均分子量是825000，密度ρ＝1.76g/cm3，熔點Tm＝167℃。黑炭黑的型號為N326。制備上述本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種路用壓電復合材料，包括壓電陶瓷和聚偏氟乙烯，其特征在于：還包括鈦酸酯偶聯劑和黑炭黑，各原料的質量份配比為：

【技術特征摘要】
1.一種路用壓電復合材料，包括壓電陶瓷和聚偏氟乙烯，其特征在于：還
包括鈦酸酯偶聯劑和黑炭黑，各原料的質量份配比為：
2.根據權利要求1所述的路用壓電復合材料，其特征在于各原料的質量份
配比為：
3.一種權利要求1所述的路用壓電復合材料的制備方法，其特征在于由以
下步驟組成：
(1)按照質量配比稱取壓電陶瓷、聚偏氟乙烯、鈦酸酯偶聯劑以及黑炭黑，
混勻，研磨至粉末狀，加入無水乙醇至完全溶解，攪拌至混合均勻后碾磨并壓
制成直徑13±1mm、厚度1±0.2mm的片狀試樣，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李蕊，石志梁，裴建中，陳旭，王鵬志，
申請(專利權)人：長安大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61