[发明专利]一种1-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种1-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料的制备方法，特别涉及了采用凝胶注模成型和快速成型技术制备1-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料，属于复合材料技术领域。

背景技术

自1880年法国的Jacques和PierreCurrie兄弟发现压电性以来，压电材料在水声、通讯、无损检测、生物医疗等方面得到了广泛的应用。20世纪70年代中后期发展起来的1-3型压电复合材料由于柔性聚合物的加入，在密度、声阻抗、介电常数等性能降低的同时，复合材料的优值和机电耦合系数却大幅度提高，是替代传统压电陶瓷(如PZT)或高分子聚合物用来制作水听器的理想材料。

一种材料的性能优劣，制备工艺是一个关键的因素。目前，1-3型压电复合材料的制备方法主要有排列－浇注法、切割－填充法、注射法、流延－层叠法等，这些方法普遍存在工序复杂、耗时、耗能而导致成本费用高的缺点，同时由于压电陶瓷硬度高、脆性大、难于加工而增加了陶瓷棒排列的困难，使得压电复合材料的制备更加困难。因此，如何简化制备工艺，降低生产成本，使压电陶瓷相的排列易于控制是1-3型压电复合材料扩大其应用领域所面临的主要问题之一。

发明内容

本发明针对1-3型压电复合材料制备工艺中存在的问题，将凝胶注模成型和快速成型结合起来用于制备1-3型压电复合材料。本发明的技术方案是：首先采用固相法制备压电陶瓷粉体，和分散剂一起加入单体溶液中经过超声分散制备压电陶瓷浆料；将压电陶瓷浆料注入快速成型法制作的模具中经固化成型、干燥、烧结得到压电陶瓷相；再将环氧树脂、稀释剂和固化剂的混合溶液浇注至压电陶瓷相上经固化成型、上电极、极化后得到压电复合材料。具体制备步骤如下：

（1）按配方将称量好的原料在球磨机上球磨6～8小时；球磨好的混料倒入托盘内放入干燥箱中在60～80℃进行干燥16～24小时，接着进行研磨，并用320目筛进行筛分，筛分好的粉料装入坩埚中于800℃～900℃煅烧，将煅烧好的粉料进行二次球磨、烘干、研磨，改用400目筛筛分得到压电陶瓷粉体。

（2）根据1-3型压电复合材料的结构特点，利用计算机和三维造型软件生成一个三维计算机图形以及对应的数据，在CAD造型系统中生成工件的三维CAD实体模型；然后利用CAD系统相应的接口模块，将实体模型转换成三角形化的STL格式模型进行原型加工，并制作硅橡胶模具；

（3）将一定量的有机单体和去离子水混合，放在磁力搅拌器上充分搅拌配制浓度为5～30wt/%的N-羟甲基丙烯酰胺溶液，然后将步骤（1）得到的压电陶瓷粉体以及分散剂逐渐加入到该有机单体溶液中，分散剂的加入量为压电陶瓷粉体质量的0.4～1.2wt%；之后将该混合溶液放于超声装置中进行分散，同时采用氨水调节pH值到8.5～10.5得到固相体积分数为45vol%～60vol%的压电陶瓷浆料。

（4）按压电陶瓷浆料、引发剂、催化剂的体积比为1:0.1～0.8:0.1～0.8的比例在步骤（3）得到的压电陶瓷浆料中分别加入浓度为0.1～5mol/l引发剂溶液和浓度为0.1～5mol/l催化剂溶液并搅拌均匀，然后浇注至步骤（2）得到的硅橡胶模具中固化成型；将脱模后的坯体首先在常温常压下自然干燥6～12h，再在60～80℃的干燥箱中干燥24～48h，自然冷却至常温；再以2～5℃/min的升温速率，将坯体加热至500℃保温1～2h进行排胶，然后随炉冷却至常温；最后以5～12℃/min的升温速度，将排胶后的坯体加热至1200～1300℃进行烧结，保温1～3h后随炉冷却至常温，制得压电陶瓷基体；

（5）按环氧树脂、稀释剂、固化剂质量比为1:0.35:0.1～0.25的比例将环氧树脂、稀释剂、固化剂混合均匀，浇注至步骤（4）得到的压电陶瓷基体上，在50℃～70℃固化1～2h后自然冷却至室温后脱模，打磨压电陶瓷基件的底座，直到只剩一维柱体镶嵌在聚合物内，再把柱体两端磨平得到压电复合材料样品，将样品打磨、抛光、涂覆电极后放入70～90℃的硅油中，在3～5KV/mm极化电场下极化20～30min，冷却至室温得到1-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料。

所述的压电陶瓷粉为锆钛酸铅二元系、铌镁酸铅-锆钛酸铅三元系压电陶瓷粉体；环氧树脂为E-44双酚A型环氧树脂；固化剂为T31-1A型环氧固化剂；稀释剂为丙酮。

所述的有机单体为N-羟甲基丙烯酰胺；引发剂是过硫酸铵；催化剂是四甲基乙二胺。