專利名稱：磁－力－電耦合效應(yīng)中傳遞相聚合物的結(jié)晶改性方法
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)中傳遞相聚合物的結(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，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很難復(fù)合在一起，因此需要通過聚合物的粘結(jié)進(jìn)行復(fù)合實(shí)現(xiàn)磁-力-電耦合而具有磁電性能。但是作為傳遞相的聚合物由于模量的影響在磁-力-電耦合中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力損耗，因此會(huì)大大降低鐵電與鐵磁復(fù)合材料的壓電性能和磁電性能。因此改變聚合物的強(qiáng)度與剛度，使聚合物相結(jié)構(gòu)化，可以減少磁-力-電耦合效應(yīng)中的應(yīng)力損耗，提高復(fù)合材料的功能性。
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，常與聚合物復(fù)合，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。如較為理想、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，大大低于復(fù)合材料中的壓電陶瓷的壓電常數(shù)，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，同樣存在這樣的問題，聚合物的應(yīng)力損耗影響了復(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。
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。聚合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、晶體類型、結(jié)晶度可以大幅度改變聚合物的剛度與強(qiáng)度。在不同的外界條件下，聚合物可以形成片晶、球晶、伸直鏈晶體、串晶、纖維晶體等；結(jié)晶結(jié)構(gòu)隨著外界條件的不同可以發(fā)生晶型的相互轉(zhuǎn)換；結(jié)晶度大大影響著聚合物的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決現(xiàn)有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，提供一種通過聚合物的結(jié)晶改性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，聚合物為非結(jié)晶聚合物或結(jié)晶聚合物，非結(jié)晶聚合物為聚乙烯醇縮丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯；結(jié)晶聚合物是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)或尼龍，采用對復(fù)合材料中聚合物進(jìn)行結(jié)晶改性，其方法步驟為第1、用溶劑配制非結(jié)晶性聚合物的成核劑溶液，用該溶液對非結(jié)晶聚合物粉進(jìn)行噴液干燥，在0.85Tm±20℃熱處理2～6h，得到結(jié)晶聚合物微粉；第2、通過氣流磨對步驟1所得到的結(jié)晶聚合物微粉進(jìn)行粉碎，獲得納米晶聚合物粉末；第3、用步驟2所得到的納米晶聚合物粉末或者聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或尼龍結(jié)晶聚合物與壓電陶瓷粉末、鐵磁材料按體積百分比為聚合物在15～30％，鐵磁材料在0～50％，其余為壓電陶瓷粉末進(jìn)行混合、室溫5～10MPa冷壓成型；第4、將步驟3所得到的冷壓成型物在所用聚合物的粘流溫度Tf±5～10℃，壓力為10～20MPa下熱壓成型，成型時(shí)間15～30min；第5、將步驟4熱壓成型的復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，方法是在保壓10～20MPa情況下，在0.85Tm±15℃溫度范圍進(jìn)行退火，即得到壓電性能和磁電性能高的復(fù)合材料；其中所述的非結(jié)晶性聚合物的成核劑溶液為聚氯乙烯的環(huán)己酮溶液，聚乙烯醇縮丁醛的丙酮溶液，聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液；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、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(Terfenol-D)。


圖1是結(jié)晶PVC與PZT復(fù)合材料與普通PVC與PZT復(fù)合材料壓電常數(shù)d33與聚合物體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線；圖2是不同熱處理?xiàng)l件下PZT/PVDF復(fù)合材料的DSC曲線；從圖1曲線上可以看出結(jié)晶聚氯乙烯與鋯鈦酸鉛(PVC與PZT)復(fù)合材料的壓電性能遠(yuǎn)高于普通PVC與PZT復(fù)合材料的壓電性能。
從圖2曲線可以看出不同的熱處理?xiàng)l件下，復(fù)合材料中PVDF的結(jié)晶度不同，分別為21％和27％。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1用環(huán)己酮溶劑將等規(guī)PVC溶解，用該溶液對普通PVC粉進(jìn)行噴液干燥，在100℃熱處理4h，得到結(jié)晶PVC微粉。通過氣流磨對結(jié)晶PVC進(jìn)行粉碎，制得5～20μm的納米晶PVC微粉，其中納米晶PVC微粉中的晶粒小于100nm，將結(jié)晶PVC與PZT按體積比15∶85混合均勻后，在130℃熱壓成型，熱壓成型時(shí)間為25min，壓力為10MPa。結(jié)晶PVC與PZT復(fù)合材料和普通PVC與PZT復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33與聚合物體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線見圖1。由圖可見結(jié)晶PVC與PZT復(fù)合材料的壓電性能高于普通PVC與PZT復(fù)合材料。
實(shí)施例2用環(huán)己酮溶劑將等規(guī)PVC溶解，用該溶液對普通PVC粉進(jìn)行噴液干燥，在120℃熱處理2h，得到結(jié)晶PVC微粉。通過氣流磨對結(jié)晶PVC進(jìn)行粉碎，制得5～20μm的納米晶PVC微粉，其中納米晶PVC微粉中的晶粒小于100nm，得到結(jié)晶度在15～30％的結(jié)晶PVC。將結(jié)晶PVC與PZT和鋱鏑鐵(Terfenol-D)按30∶64∶6體積比在155℃熱壓成型，成型時(shí)間為10min，壓力為20MPa，復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為60mV/cm Oe，普通PVC與PZT和Terfenol-D復(fù)合的復(fù)合材料測試不到磁電性能。
實(shí)施例3將PVDF與PZT按30∶70體積比在170℃熱壓成型，時(shí)間30min，壓力10MPa，成型后分為兩份，一份復(fù)合材料進(jìn)行淬火，PZT與PVDF復(fù)合材料中PVDF的結(jié)晶度為21％，見圖2，復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為40pC/N；另一份復(fù)合材料在120℃保壓10MPa退火6小時(shí)，所得PZT與PVDF復(fù)合材料中PVDF的結(jié)晶度為27％，見圖2，復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為75pC/N。
實(shí)施例4將PP與PZT按30∶70體積比稱取，在160℃下，一份在密煉機(jī)中混煉，在平板硫化機(jī)上模壓成型，所得復(fù)合材料中聚合物為球晶結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為45pC/N；另一份在開煉機(jī)上190℃成型，轉(zhuǎn)速范圍為10～30r/min，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，所得復(fù)合材料中聚合物為纖維晶，復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為57pC/N。
實(shí)施例5選用兩種不同結(jié)晶度的共聚尼龍，共聚尼龍1的熔點(diǎn)為120℃，共聚尼龍1的熔點(diǎn)為160℃，與PZT、Terfenol-D按30∶65∶5體積比在120℃熱壓成型，時(shí)間20min，壓力15MPa，共聚尼龍1復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為60mV/cm Oe，共聚尼龍2復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αE33為72mV/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)合材料和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，聚合物為非結(jié)晶聚合物或結(jié)晶聚合物，非結(jié)晶聚合物為聚乙烯醇縮丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯；結(jié)晶聚合物是聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或尼龍，其特征是對聚合物結(jié)晶改性，其方法步驟為第1、用溶劑配制非結(jié)晶性聚合物的成核劑溶液，用該溶液對非結(jié)晶聚合物粉進(jìn)行噴液干燥，在0.85Tm±20℃熱處理2～6h，得到結(jié)晶聚合物微粉；第2、通過氣流磨對步驟1所得到的結(jié)晶聚合物微粉進(jìn)行粉碎，獲得納米晶聚合物粉末；第3、用步驟2所得到的納米晶聚合物粉末或者聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或尼龍結(jié)晶聚合物與壓電陶瓷粉末、鐵磁材料按體積百分比為聚合物在15～30％，鐵磁材料在0～50％，其余為壓電陶瓷粉末進(jìn)行混合、室溫5～10MPa冷壓成型；第4、將步驟3所得到的冷壓成型物在所用聚合物的粘流溫度Tf±5～10℃，壓力為10～20MPa下熱壓成型，成型時(shí)間15～30min；第5、將步驟4熱壓成型的復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，方法是在保壓10～20MPa情況下，在0.85Tm±15℃溫度范圍進(jìn)行退火，即得到壓電性能和磁電性能高的復(fù)合材料；其中所述的非結(jié)晶性聚合物的成核劑溶液為聚氯乙烯的環(huán)己酮溶液，聚乙烯醇縮丁醛的丙酮溶液，聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液；所述的壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、各種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)合材料和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，其特征是對復(fù)合材料中的聚合物結(jié)晶改性，其方法是先用溶劑配制非結(jié)晶性聚合物的成核劑溶液，用該溶液對非結(jié)晶聚合物粉進(jìn)行噴液干燥，在0.85T
文檔編號C08L29/14GK1657554SQ20051001820
公開日2005年8月24日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27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)