0_3型PZT_PVDF压电复合材料压电性能研究

第23卷第1期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.23,No.1 2007年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2007

0-3型PZT/PVDF压电复合材料压电性能研究

孙洪山，张德庆，王少君，祁磊 (齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006 )

摘要：以PZT和PVDF为原料，采用热压和冷压两种工艺制备了0-3型压电复合材料，其中PZT陶瓷粉末由sol-gel法制得。研究了不同因素对复合材料压电和介电性能的影响。实验结果表明在相同成型压力下，PZT体积含量为70% 时，热压和冷压工艺制备的复合材料33d分别为41和24，相差达到17，而ε相差最大值达到32.4。

关键词：0-3型PZT/PVDF压电复合材料；热压法；冷压法 中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2007)01-0013-04

树脂基压电复合材料是一种多相材料, 由压电陶瓷与树脂基体复合形成的一种新型功能材料[1]。这种材料具有两相材料的优点: 良好的柔顺性、 较高的压电常数和机电耦合系数。压电复合材料的密度和声速远低于压电陶瓷, 故其声阻抗小, 易与空气、水和生物组织实现声阻抗的匹配，满足水声、电声、超声换能器等方面的要求[2～4]。国内外许多材料工作者在0-3型复合材料的制备工艺[5]、 影响性能的因素[6]及理论研究[7]等方面做了许多工作。为提高复合材料的性能，本实验采用sol-gel法合成的超细纳米PZT粉体作为功能相，为解决加工过程中的分散性问题，采用溶液混合法制备出了混合相对均匀的0-3型PZT/PVDF复合材料，并 研究了PZT体积含量、制备工艺对复合材料电性能的影响。

1 实验过程 1.1 实验原料 自制的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉末，相对介电常数ε为1 152，33d为274 pC/N；聚偏二氟乙烯(PVDF)

粉末, 相对介电常数ε为12，33d为1 pC/N。

1.2 仪器 DW-P153-1AC高压直流电源，天津市东文高压电源厂；YY2815精密元件分析仪，天津市无线电六厂；ZJ-3A型准静态测试仪，中国科学院声学研究所。 1.3 复合材料的制备 将制备的PZT粉末与PVDF粉末混合，加入适量乙醇超声震荡，混合均匀。待乙醇烘干, 将混合粉料分为两部分。一部分装入模具中, 在200℃左右热压10 MPa成型, 自然冷却至室温, 然后取出样品；另一部分装入模具, 常温10 MPa成型取出样品，所得样品直径φ=13 mm , 厚度d=0.50～0.80 mm。

1.4 极化及电性能测试 将上述样品表面抛光, 将样品的上下表面镀上免烧银电极。极化电场为10 kV/mm， 极化时间一般选择25 min，极化温度一般为110℃。极化完毕后用YY2815型精密元件分析仪测量样品的电容，测量电压为1V, 测量频率为1kHz， 根据公式ShC

00εε=, 计算出相对介电常数ε；压电应变系数33d采用ZJ-3A型准静态测

量仪测试, 测试频率为50 Hz。

2 结果与讨论

收稿日期：2006-10-18 基金项目：黑龙江省科技计划（GB02A302）资助项目 作者简介：孙洪山（1978-），男，山东省青岛市人，在读硕士研究生，从事功能材料方面的研究，Email：zhdqing@163.com。 ·14· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2007年 2.1 PZT粉末的形貌观察 图１为PZT粉体的XRD衍射图。图１表明，PZT已经结晶为纯四方钙钛矿相，适用于制备0-3型PZT/PVDF压电复合材料。 图2为PZT纳米晶体的SEM图。从图２可以看出，PZT纳米晶颗粒比较均匀，分散性好，晶粒尺寸在50～100 nm之间。

102030405060(100)(111)(200)

(201)

(211)

2θ/（°） 图1 PZT粉体的XRD衍射图 图2 PZT纳米晶的形貌和粒度 2.2 制备工艺对介电性和压电性的影响

本实验分别采用热压和冷压工艺制备出PZT体积比为40%，50%，60%，70%，80%和90%的复合材料，极化采用最佳工艺。则不同工艺条件下，PZT体积分数与压电常数33d的关系如图３所示；与介电常数ε的

关系如图４所示。

由图３可以看出: 1）冷压法制备的0-3型复合材料其压电常数随PZT体积含量的增加而增大，PZT体积含量为80%时，其压电常数达到31。2）热压法制备的0-3型复合材料其压电常数33d在PZT体积含量为70%

时达到最大值41，而后开始减少。体积含量增加到80%时，33d降到35。3）对含相同体积分数PZT的复合

材料，热压法制备的复合材料其压电常数明显高于冷压法所制备。由图３可以清楚发现：PZT体积含量均为40%时，冷压与热压工艺所制备复合材料33d分别为７和15，二者相差８；当PZT体积含量增加至70%时，

冷压与热压工艺所制备复合材料的33d分别为24和41，二者相差达到最大值17；而当PZT体积含量继续增加

至80%时，冷压与热压工艺所制备复合材料的33d分别为31和35，二者差距减小到４。

由图４可以看出，介电常数ε的变化关系和压电常数的变化关系基本一致。PZT体积含量均为40%时， 冷压与热压工艺所制备复合材料的ε分别为27和36.2，二者相差9.2；当PZT体积含量增加至70%时，冷压与

30405060708090010203040d33

PZT/%

1

2

1-热压2-冷压

图3 不同制备工艺条件下PZT体积 分数与压电常数33

d的关系

405060708090100203040506070801-热压2-冷压1

2

PZT/％ 图4 不同制备工艺条件下PZT体积 分数与介电常数ε的关系

ε 第1期 0-3型PZT/PVDF压电复合材料压电性能研究 ·15· 热压工艺所制备复合材料的ε分别为50.2和82.6，二者相差达到最大值32.4；而PZT体积含量继续增加至80%时，两种工艺所制备复合材料的ε差距明显减小。 样品的ε和33d随PZT含量的增加而增大, 这是由于作为复合材料功能相的压电陶瓷PZT本身具有很高

的介电常数ε和压电常数33d, 所以PZT对复合材料电性能的贡献占主导地位，故PZT体积含量的增加会使

复合材料的ε和33d增加。对冷压法处理的复合材料，连接相PVDF和功能相PZT只是形成简单的堆积，

PVDF简单的取代PZT的位置，而其电性能远低于PZT，PVDF含量越低，复合材料电性能越高，所以样品的ε和

33d与PZT体积含量成线性关系。对于热压法，200℃、10 MPa的成型条件使得PVDF产生形变，转变成

具较大电性能的β型；另一方面，对于热压工艺制备的复合材料，PVDF得到了压延，黏结效果较好，两相材料复合得很好，材料致密度高，无气孔等缺陷相对较小，所以，对于具有相同体积比PZT的复合材料， 热压工艺处理的复合材料的电性能要优于冷压工艺所处理。 2.3 PZT体积分数对复合材料压电性的影响 图５显示对于一定压力下热压工艺所制备的复合材料，PZT体积分数和复合材料压电常数的关系。从图５中可以看出：PZT体积含量为40%时，33d仅为15，随着PZT体积含量继续增加至70%

时，压电常数达到该工艺下的最大值41，而当PZT体积含量继续增加，复合材料的压电常数反而减小，这是由于高含量区域两相复合困难气孔率等缺陷增大所致。含量低于70%时压电常数随着PZT体积分数的增加而增大，是因为0-3型PZT/PVDF压电复合材料中，PVDF首先起连接相的作用，由于PVDF的压电性很小，所以一般认为，复合材料的压电性主要由PZT提供。当PZT体积含量超过70%时，压电常数又呈现下降变化，分析认为PZT体积含量增加的同时，作为连接相的PVDF含量减少， 使两相复合困难，复合材料中气孔增多，导致复合材料的压电性能降低。 2.4 SEM分析 采用热压和冷压工艺制备出的PZT体积比为60%的0-3型PZT/PVDF压电复合材料，极化均采用最佳工艺，其SEM形貌观察如图６，图７。

图6 冷压工艺制备的PZT/PVDF 图7 热压工艺制备的PZT/PVDF 从SEM照片中发现：1）PVDF包裹着PZT颗粒，热压工艺制备的0-3型PZT/PVDF压电复合材料样品中的颗粒之间的空隙较少，热压工艺所制复合材料中的颗粒之间的结合也最紧密，形成的复合颗粒也较小，这 也从一个侧面解释了为什么热压工艺制备的0-3型PZT/PVDF压电复合材料的性能要优于冷压工艺；2）从 图６可以看出冷压工艺制备的复合材料，并没有使PVDF得到压延，PVDF仍然以颗粒的形状存在于PZT间隙，从图７发现PVDF在某些方向上形成了一定的取向，得到比较充分的压延，以颗粒形状存在的PVDF比

405060708015202530354045d33PZT/% 图5 PZT体积分数与压电常数的关系