陶瓷粉體粒度對ＰＺＮ－ＰＺＴ／ＰＶＤＦ壓電復合材料性能的影響

摘要將鈮鋅鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷粉體分散于聚偏二氟乙烯(PVDF)基體中，制備出0-3型PZN-PZT/PVDF壓電復合材料。文中研究了PZN-PZT陶瓷不同粒度對復合材料的壓電性、介電性、鐵電性的影響。結果表明，當陶瓷粒度為100～150目時，壓電復合材料的綜合性能最佳，壓電常數(shù)d33達到23.10pC/N，剩余極化強度Pr達到5.13μC·cm-2，矯頑場Ec為45.71kV·cm-1，介電常數(shù)εr為192.86，介電損耗tanδ為0.10。

關鍵詞PZN-PZT，PVDF，復合材料，粒度，壓電性能

1引 言

壓電材料能夠適應環(huán)境的變化，實現(xiàn)機械能和電能之間的相互轉化，具有集傳感、執(zhí)行和控制于一體的特有屬性，是智能材料系統(tǒng)的主導材料[1]。將壓電陶瓷與壓電聚合物按一定的連通方式復合，克服了壓電陶瓷材料自身的脆性和壓電聚合物材料的溫度限制，可制得既有較強壓電性又有良好機械應用性能的壓電復合材料[2～3]。0-3型壓電復合材料是指壓電陶瓷粉體分散于三維連續(xù)的聚合物基體中形成的復合材料[4～6]，它的制備過程簡單經(jīng)濟，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有廣闊的前景。PZN-PZT陶瓷是0-3型壓電復合材料的主要功能相，它以顆粒狀分散在PVDF聚合物基體中。對于陶瓷粉體，即使其組成完全一致，其形狀和尺寸的差異也能引起復合材料性能的差異。因此，有必要在陶瓷顆粒粒度對復合材料性能的影響方面進行研究。

2實驗過程

2.1 壓電復合材料的制備

按質(zhì)量比85:15制備PZN-PZT/PVDF，將自制的壓電陶瓷粉體和PVDF粉體混合后壓制成直徑為20mm、厚度為1～2mm的薄片，在平板硫化機上于溫度180℃下熱壓10min，得到壓電復合材料。將樣品進行鍍電極處理，干燥后放入已加熱的硅油中進行極化。在極化電壓為5～10kV·mm-1，溫度為110℃下極化20min，取出樣品，靜置24h后進行性能測試。實驗中，將大于400目、200～400目、150～200目、100～150目和60～100目的陶瓷粉體制備的壓電復合材料分別編號為A1、A2、A3、A4、A5。

2.2 性能檢測

用掃描電子顯微鏡觀察壓電復合材料的內(nèi)部微觀形貌；用ZT-I鐵電材料參數(shù)測試儀測量壓電復合材料的電滯回線；利用TH2819精密LCR數(shù)字電橋測量壓電復合材料的介電常數(shù)εr和介電損耗 tanδ；采用ZJ-3A型準靜態(tài)d33測量儀測量壓電復合材料的壓電常數(shù)d33。

3結果分析與討論

3.1 陶瓷粉體的微觀形貌分析

陶瓷粉體的微觀形貌如圖1（a）、1（b）所示。從圖1（a）中可以看出，樣品A1的粒度較小且分布相對比較均勻；而從圖1（b）中可以看出，樣品A5的顆粒粒徑分布較廣，且形態(tài)不規(guī)整。

3.2 不同陶瓷粉體粒度對復合材料密度的影響

表1為不同粒度的復合材料的密度。從表中可以看出，隨著陶瓷粉料粒度的增大，復合材料的密度逐漸減少。這表明陶瓷粉料粒度增大引起復合材料的孔隙率升高，故密度下降。

3.3 不同陶瓷粉體粒度對復合材料鐵電性能的影響

圖2為不同陶瓷粉體粒度的復合材料的電滯回線。表2顯示的是不同陶瓷粉體粒度復合材料的剩余極化強度Pr和矯頑場Ec。從圖2和表2可以看出，隨著陶瓷粉體粒度的增加，復合材料的矯頑場先減小后增大，相應地其剩余極化強度先增加后降低。在陶瓷粉體粒度為100～150目時，復合材料的矯頑場最小，為45.71kV·cm-1 ，并且獲得最高的剩余極化強度，其值為5.23μC·cm-2。陶瓷顆粒較小時，由于陶瓷顆粒被有機相所包裹，極化電場大部分加在有機相上，矯頑場較大；隨著陶瓷顆粒粒度的逐漸增大，陶瓷顆粒開始相互接觸[7]，極化時電場大部分加在陶瓷顆粒上，所以陶瓷的矯頑場逐漸變小，其剩余極化強度也相應地增大；同時陶瓷顆粒的比表面積減少，而陶瓷的表面存在缺陷會降低其鐵電性能，故其剩余極化強度亦相應增大。當陶瓷粉體粒度過大時，復合材料內(nèi)氣孔較多，導致其矯頑場增大，剩余極化強度減小。故復合材料的矯頑場和剩余極化強度曲線在粒度為100～150目時出現(xiàn)峰值。

3.4 不同陶瓷粉體粒度對復合材料介電性能的影響

陶瓷粉體粒度對復合材料εr的影響見圖3。從圖中可以看出，介電常數(shù)隨著粒度的增大其變化曲線總的趨勢是先增大后減少，當陶瓷粉體粒度為100～150目時，介電常數(shù)達到最大值，其εr值為192.86。隨著陶瓷顆粒粒度的逐漸增大，比表面積減少，由于表面的介電常數(shù)低于晶粒內(nèi)部[8]，所以復合材料介電常數(shù)增大。當陶瓷顆粒粒度過大時，氣孔率較高，而氣孔的介電常數(shù)低于陶瓷相和有機相，故復合材料介電常數(shù)減??；因此，介電常數(shù)曲線上出現(xiàn)峰值。

圖4給出了復合材料介電損耗tanδ隨陶瓷粉體粒度變化的規(guī)律。可以看出，隨著粒度的增大，介電損耗先增大后減少。當陶瓷粉體粒度較小時，粒度分布均勻，陶瓷顆粒與有機相界面結合較好，復合材料顯微結構致密，故介電損耗小。而當陶瓷粉體粒度較大時，陶瓷顆粒較容易相互接觸，所制備的復合材料兩相界面積減少，介電損耗減小。

3.5 不同陶瓷粉體粒度對復合材料壓電常數(shù)的影響

圖5為壓電復合材料的壓電常數(shù)d33與不同陶瓷粉體粒度之間的關系曲線圖。從圖中可以看出，隨著陶瓷粉體粒度的增大，壓電復合材料的d33先增大后減少，當陶瓷粉體粒度大小為100～150目時，d33達到最大值。由于聚合物與陶瓷之間不可能絕對地混合均勻，且粒度大的陶瓷顆粒粒徑分布較廣，故大顆粒的壓電陶瓷更容易造成局部顆粒的相互接觸，從而改變了復合材料的極化形式[9～11]。當陶瓷顆粒較小時，復合材料的矯頑場較大，極化未達到飽和狀態(tài)；當陶瓷顆粒較大時，陶瓷顆粒之間相互接觸，復合材料的剩余極化值增大，壓電陶瓷的極化效果顯著提高，從而提高了復合材料的壓電性能。

4結論

適當?shù)奶沾煞垠w粒度可以使復合材料的性能得到改善。陶瓷粉體粒度為100～150目時，壓電復合材料的綜合性能最佳，壓電常數(shù)d33達到23.10pC/N，剩余極化強度Pr達到5.23μC·cm-2，矯頑場Ec為45.71kV·cm-1，介電常數(shù)εr為192.86，介電損耗tanδ為0.10。

參考文獻

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