[发明专利]包括柔性基体的压电复合材料

说明书

本发明涉及压电复合材料，所述压电复合材料包括聚合物基体和以颗粒形式的无机压电填料，所述颗粒分散于聚合物基体中，但不与聚合物基体相结合，其特征在于：所述聚合物基体包括热塑性弹性体(TPE)；热塑性弹性体(TPE)的每种热塑性嵌段的玻璃转化温度Tg低于无机压电填料的最低居里温度Tc，并且当热塑性嵌段具有熔点Tf时，所述每种热塑性嵌段的熔点也低于无机压电填料的最低居里温度；并且其中相对于聚合物基体的总体积，所述无机压电填料的浓度至少为5体积％。本发明也涉及制备此压电复合材料的方法，包括此复合材料的装置及其用途以及包括此装置的轮胎。

技术领域

本发明涉及压电复合材料，所述压电复合材料的聚合物基体包括热塑性弹性体。

背景技术

压电现象在例如晶体、某些半晶体聚合物和压电陶瓷的材料中得到发展。该物理现象对应于由外部机械形变引起的电极化的出现。其为机电耦合，其中极化与施加到一定水平的机械应力成比例。然后压电效应被认为是正压电效应。该现象是可逆的：当材料经受外电场时，其会发生形变。此为逆压电效应。

当对样品施加应力时，宏观极化的变化表征了压电效应。在正交轴体系中，极化和应力通过被称为压电张量dij的二阶张量在矩阵符号中相关联，其中i＝1，2，3，j＝1，2，3，4，5，6，分别对应于图1中显示的极化轴线和应力的施加。

压电活性复合材料或压电复合材料包括至少一种赋予复合材料压电活性的压电材料和一个或多个非压电相。该结合使材料与单独的每一相相比具有增加的性能。非压电相通常为有机聚合物基体，特别是刚性热塑性或热固性聚合物基体(US 2015134061、WO2016/157092)，其可以为聚酰胺型(Capsal等，Journal of non-crystalline solids,2010年,356,629-634)、聚环氧型(Furukawa等，Jpn.J.Appl.Phys.,1976年,15,2119)、聚苯乙烯或聚氨酯型(Hanner等，Ferroelectrics,1989年,100,255-260)、PVC型(Liu等，MaterialsScience and Engineering,2006年,127,261-266)或聚乙烯型(Rujijanagul等，Journalof Materials Science Letters,2001年,20,1943-1945)，或包括氰乙基化的聚乙烯醇的聚合物基体(EP 2654094)。因此，压电复合材料能够最大化聚合物基体的电活性，但是通常这种结合也会限制其形变范围。

在轮胎领域中，包括压电复合材料的装置被用做在轮胎内产生能量的装置。这些装置能够代替常规的寿命有限的电池。特别地，压电材料可以嵌入于环氧基体中(WO 03/095244Michelin)或嵌入于热塑性、塑性或压电聚合物基体中(US 2011/0074564)。

发明内容

本发明的一个主题是压电复合材料，所述压电复合材料包括聚合物基体和以颗粒形式的压电无机填料，所述颗粒不与聚合物基体相结合但分散于所述聚合物基体中，其特征在于，所述聚合物基体包括热塑性弹性体(TPE)，其中热塑性弹性体(TPE)的每种热塑性嵌段的玻璃转化温度(Tg)低于压电无机填料的最低居里温度(Tc)，此外当热塑性嵌段具有熔点(Tm)时，所述每种热塑性嵌段的熔点也低于压电无机填料的最低居里温度，并且其中相对于聚合物基体的总体积，所述压电无机填料的填料含量至少为5体积％。

根据本发明的在柔性基体中的压电复合材料具有特定的电活性和机械性质。其配方能够赋予复合材料柔性和弹性，同时保持足够的压电特性，以便其在电子装置中的应用。

根据本发明的电活性复合材料的特定的机电性质(例如其柔性、弹性、热塑性和电荷产生)与热固性或热塑性基体电活性复合材料相比具有主要优势。

-热塑性使得在软化点以上更容易加工和成型，特别是在受控的表面粗糙度的几何形状下，从而应用收集电荷的电极。

-热塑性还能实现抗冲击性。