專利名稱：一種流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電材料加工制備領(lǐng)域，涉及一種壓電材料的制備方法，具體涉及一種流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
壓電復(fù)合材料是由壓電相材料與非壓電相材料按照一定的連通方式組合在一起而構(gòu)成的一種具有壓電效應(yīng)的復(fù)合材料，由壓電陶瓷(如PZT，PbTiO3)和聚合物(如聚偏氟乙烯或環(huán)氧樹(shù)脂)復(fù)合是較常見(jiàn)的壓電復(fù)合材料。壓電陶瓷具有較大的壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，但其硬而脆的特性給成型加工帶來(lái)困難，不能獲得任意形狀，而且耐沖擊性能較差，使其應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。某些高分子材料柔順性好，可制成大而均勻的薄膜，但其壓電性能差。為了克服了兩者的不足，需要將性能各異的壓電陶瓷和聚合物復(fù)合在一起，制得具有強(qiáng)壓電性、低脆性、低密度和低介電系數(shù)的復(fù)合材料。同時(shí)，為了滿足壓電材料在電子信息、能源、智能結(jié)構(gòu)等方面的快速發(fā)展及新的應(yīng)用，需要一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于大量連續(xù)生產(chǎn)，制出綜合性能優(yōu)異、大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法。流延法作為制備大面積、平面厚膜壓電復(fù)合材料的重要方法之一，獲得物料分散均勻、粘度適中的流延漿料是流延法制備技術(shù)的關(guān)鍵。流延漿料是由一定組成、配比的陶瓷原料粉體與溶劑和多種有機(jī)成型助劑，按照一定的工藝過(guò)程先后加入，采用球磨攪拌均勻混合而成。有機(jī)成型助劑通常包括粘接劑、分散劑、增塑劑和除泡劑等。采用易揮發(fā)的苯或甲苯作為溶劑的非水系流延工藝，有利于流延坯膜的快速干燥，可用于生產(chǎn)厚度在微米量級(jí)、結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的壓電復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，使其可用于工業(yè)化大規(guī)模低成本連續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明的制備工藝具體包括步驟1，制粉。將市場(chǎng)銷售的顆粒尺寸大于3 μ m的壓電陶瓷粉在球磨機(jī)中以700轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速下加無(wú)水乙醇100毫升/公斤濕法球磨M 48h，烘干得到平均顆粒尺寸1 3μπι的壓電陶瓷粉。步驟2，制備流延漿料。漿料由壓電陶瓷與聚合物的混合物、流延膠兩部分組成，其組成是壓電陶瓷粉與聚合物的混合物占流延漿料的重量百分比為55 70%，流延膠占流延漿料的重量百分比為45 30%，壓電陶瓷粉與聚合物的混合物中，壓電陶瓷粉占混合物的重量百分比為80 95%，聚合物占20 5%，流延膠中，各組分占流延膠的重量百分比為溶劑70 85%、粘接劑20 5%、分散劑5. 5 4%、增塑劑4 5 %、除泡劑0. 5 1 %，所述溶劑為無(wú)水乙醇與二甲苯的混合物，混合物中無(wú)水乙醇的體積百分比為50 70%、二甲苯 50 30%，所述粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛(PVB)，所述分散劑為油酸或三油酸甘油酯(GTO)，所述增塑劑為甘油和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的混合物，混合物中甘油的體積百分比為65 75%、二甲苯25 35%，所述除泡劑為磷酸三丁酯、有機(jī)硅油、醇類，所述聚合物為市場(chǎng)銷售的平均顆粒尺寸小于20 μ m的粉體。上述組份的混合過(guò)程為稱取步驟1中的壓電陶瓷粉，然后與聚合物混合后加入流延膠，轉(zhuǎn)速300 500轉(zhuǎn)/分下球磨12 M小時(shí)分散均勻，最后在真空度為-0. 95Mpa 的真空密封罐中進(jìn)行真空除泡20 30分鐘，制得流延漿料。步驟3，流延成型。用流延機(jī)對(duì)流延漿料進(jìn)行流延，控制刮刀高度在50 μ m 1mm， 在15 35°C溫度范圍內(nèi)自然干燥3 5小時(shí)即可從基板上剝離出坯膜。步驟4，排膠燒結(jié)。烘箱中150 180°C下排膠，升溫速度1 3°C /min，保溫1 2小時(shí)，然后在180 200°C下燒結(jié)1 2小時(shí)。步驟5，極化。在膜的上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化，極化溫度為100 130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為5 10kV/mm，極化時(shí)間為20 90min，即成為壓電復(fù)合材料。本發(fā)明所述的壓電陶瓷為目前廣泛應(yīng)用的鋯鈦酸鉛PZT、鈦酸鉛Inyrio3(PT)、鈮酸鈉鉀基無(wú)鉛壓電陶瓷IVxNaxNbO3 (KNN)等。本發(fā)明所述的聚合物為聚偏氟乙烯PVDF、偏氟乙烯-四氟乙烯P(VDF-TeFE)、聚乙烯PE、環(huán)氧樹(shù)脂等。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于大量連續(xù)生產(chǎn)，制出綜合性能優(yōu)異、大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法?？捎糜谏a(chǎn)厚度在微米量級(jí)、結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的壓電復(fù)合材料。
具體實(shí)施例方式下面介紹本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)該發(fā)明予以進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例1 :20cmX 20cm厚度150 μ m的PZT/PVDF壓電復(fù)合材料將平均粒徑5 μ m的鋯鈦酸鉛PZT粉體，放入球磨罐中在700轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下濕法球磨Mh，烘干得到平均顆粒尺寸2 μ m的PZT粉。稱取150gPZT粉、15g粒徑20 μ m聚偏氟乙烯PVDF粉，加入無(wú)水乙醇2. 5ml和二甲苯2ml混合成4. 5ml溶劑、粘接劑聚乙烯醇縮丁醛(PVB)O. 4g、分散劑三油酸甘油酯2g、增塑劑甘油0. 8ml和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)O. 5ml、除泡劑磷酸三丁酯0. 8ml，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/ 分下球磨M小時(shí)，分散均勻后，在-0. 95Mpa的真空密封罐中真空除泡30分鐘，制得流延漿料。調(diào)整刮刀高度，用流延機(jī)流延出厚150 μ m尺寸20cmX 20cm的坯膜，自然干燥3小時(shí)后可從基板上剝離；在165°C下排膠，升溫速度2V /min，保溫2小時(shí)，然后在185°C下燒結(jié)2小時(shí)；在膜上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化，極化溫度為130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm，極化時(shí)間為30min，即成為PZT/PVDF壓電復(fù)合材料。實(shí)施例2 :15cmX 15cm厚度80 μ m的PZT/PVDF壓電復(fù)合材料
稱取粒徑1 μ m的鋯鈦酸鉛PZT粉體50g、粒徑10 μ m的PVDF粉末5g，加入無(wú)水乙醇Iml和二甲苯Iml混合成2ml溶劑、粘接劑聚乙烯醇縮丁醛(PVB)O. 2g、分散劑三油酸甘油酯lg、增塑劑甘油0. 3ml和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)O. ^iil、除泡劑磷酸三丁酯0. :3ml，轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分下混料12小時(shí)，在-0. 95Mpa的真空密封罐中真空除泡20分鐘，制得流延漿料。用流延機(jī)對(duì)流延漿料進(jìn)行流延，得到厚80 μ mU5cmX 15cm的坯膜，自然干燥3小時(shí)后可從基板上剝離；在165°C下排膠，升溫速度3°C /min，保溫1小時(shí)，然后在185°C下燒結(jié)1小時(shí)；在膜上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化，極化溫度為130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm，極化時(shí)間為20min。實(shí)施例3 :15cmX 15cm厚度200 μ m的KNN/PVDF壓電復(fù)合材料將平均粒徑5 μ m的鈮酸鈉鉀陶瓷KNN粉體，放入球磨罐中在700轉(zhuǎn)份的轉(zhuǎn)速下濕法球磨48h，烘干得到平均顆粒尺寸Iymm PZT粉。稱取120gKNN粉體、12g粒徑20 μ m PVDF粉，加入無(wú)水乙醇2ml和二甲苯2ml混合成細(xì)1溶劑、粘接劑聚乙烯醇縮丁醛(PVB)O. 3g、分散劑三油酸甘油酯1. Sg、增塑劑甘油 0. 6ml和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)O.細(xì)1、除泡劑磷酸三丁酯0. 6ml，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分下球磨 24小時(shí)，分散均勻后，在-0. 95Mpa的真空密封罐中真空除泡30分鐘，制得流延漿料。調(diào)整刮刀高度，用流延機(jī)流延出厚200 μ m、15cmX 15cm的坯膜，自然干燥3小時(shí)后可從基板上剝離；在165°C下排膠，升溫速度1°C /min，保溫2小時(shí)，然后在185°C下燒結(jié)2 小時(shí)；在膜上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化，極化溫度為130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm，極化時(shí)間為60min，即成為KNN/PVDF壓電復(fù)合材料。實(shí)施例4 :20cm X 20cm 厚度 150 μ m 的 PT/P (VDF-TeFE)復(fù)合材料稱取150g粒徑1.5μπι的鈦酸鉛PT粉體、20g粒徑20μπι的偏氟乙烯-四氟乙烯P(VDF-TeFE)粉，加入無(wú)水乙醇2. 5ml和二甲苯2ml混合成4. 5ml溶劑、粘接劑聚乙烯醇縮丁醛(PVB)O. 4g、分散劑三油酸甘油酯2g、增塑劑甘油0. 8ml和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)O. 5ml、除泡劑磷酸三丁酯0. 6ml，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分下球磨M小時(shí)，分散均勻后， 在-0. 95Mpa的真空密封罐中真空除泡30分鐘，制得流延漿料。用流延機(jī)對(duì)流延漿料進(jìn)行流延，自然干燥3小時(shí)后可從基板上剝離出厚度150 μ m 20cmX20cm的坯膜；在165°C下排膠，升溫速度2V /min，保溫2小時(shí)，然后在185°C下燒結(jié) 1小時(shí)；在膜上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化，極化溫度為130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為6kV/mm，極化時(shí)間為90min。
權(quán)利要求
1.一種流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是制備方法包括以下步驟(1)制粉將市場(chǎng)銷售的顆粒尺寸大于3μ m的壓電陶瓷粉在球磨機(jī)中以700轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下加酒精100毫升/公斤濕法球磨M 48h，烘干得到平均顆粒尺寸1 3 μ m的壓電陶瓷粉；(2)制備流延漿料稱取步驟1中的壓電陶瓷粉，然后與聚合物混合后加入流延膠，轉(zhuǎn)速300 500轉(zhuǎn)/分下球磨12 M小時(shí)分散均勻，最后在真空度為-0. 95Mpa的真空密封罐中進(jìn)行真空除泡20 30分鐘，制得流延漿料；(3)流延成型用流延機(jī)對(duì)流延漿料進(jìn)行流延，控制刮刀高度在50μ m 1mm，在15 35°C溫度范圍內(nèi)自然干燥3 5小時(shí)即可從基板上剝離出坯膜；(4)排膠燒結(jié)烘箱中150 180°C下排膠，升溫速度1 3°C/min，保溫1 2小時(shí)， 然后在180 200°C下燒結(jié)1 2小時(shí)；(5)極化在膜的上下兩表面上刷導(dǎo)電銀漿，在150°C下保溫Ih被銀電極，硅油浴極化， 極化溫度為100 130°C，極化場(chǎng)強(qiáng)為5 10kV/mm，極化時(shí)間為20 90min，即成為壓電復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述流延漿料由壓電陶瓷粉與聚合物的混合物、流延膠兩部分組成，其中壓電陶瓷粉與聚合物的混合物占流延漿料的重量百分比為陽(yáng) 70%，流延膠占流延漿料的重量百分比為45 30%。
3.如權(quán)利要求2所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述壓電陶瓷粉與聚合物的混合物中，壓電陶瓷粉占混合物的重量百分比為80 95%，聚合物為 20 5%。
4.如權(quán)利要求1所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述流延膠由以下組分按重量百分比組成溶劑70 85%、粘接劑20 5%、分散劑5. 5 4%、 增塑劑4 5%、除泡劑0.5 1%。
5.如權(quán)利要求4所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述溶劑為無(wú)水乙醇與二甲苯的混合物，混合物中無(wú)水乙醇的體積百分比為50 70%、二甲苯為 50 30%。
6.如權(quán)利要求4所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛。
7.如權(quán)利要求4所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述分散劑為油酸或三油酸甘油酯。
8.如權(quán)利要求4所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述增塑劑為甘油和鄰苯二甲酸二丁酯的混合物，混合物中甘油的體積百分比為65 75%、二甲苯為25 ；35%。
9.如權(quán)利要求4所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述除泡劑為磷酸三丁酯、有機(jī)硅油或醇類。
10.如權(quán)利要求1所述的流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其特征是所述聚合物為市場(chǎng)銷售的平均顆粒尺寸小于20 μ m的粉體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種流延法制備大尺寸厚膜壓電復(fù)合材料的方法，其基本步驟如下1.制粉。2.制備流延漿料。3.流延成型。4.排膠燒結(jié)。5.極化。即成為壓電復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于大量連續(xù)生產(chǎn)，可用于生產(chǎn)厚度在微米量級(jí)、結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的壓電復(fù)合材料。
文檔編號(hào)H01L41/22GK102299254SQ20101021052
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者何超, 劉明會(huì), 陳文革 申請(qǐng)人:西安三瑞科技有限公司