压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料及制备方法
压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种复合压电材料。本发明也涉及一种复合压电材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]中国的公路系统正逐渐向信息化、科技化、绿色化方向发展。在重视公路高速发展的同时，更要重视公路的质量及未来的维护工作，随着对路面功能要求和对其长期耐久性评价需求的提高，需要对其进行健康监测，但现有的传感器和路面的兼容性不好，不仅容易使路面和传感器造成损伤，也不能准确的反映其内部的健康状况，比如:光纤光栅传感器，静电容型压力传感器等。同时现有在线健康监测系统的供电主要由电池供给，而对于路面中的监测系统在运营期间很难或者无法更换电源。现在为了给监测系统提供更持久的续航，一般采用大容量的电池或者超级电容，其虽然可延长监测系统的供电时间，但是电池体积会增大很多，其在车辆的荷载作用下容易损伤，以及使路面结构产生破坏。因此，迫切需要开发一种可为监测系统供电的微型电源。
[0003]由于压电陶瓷与沥青路面的兼容性差，一方面容易导致埋置在路面中的压电片破碎，另一方面易导致路面的开裂和破坏。近年来，压电复合材料由于其成型的可设计性和制作成本低廉使其广泛应用于音频换能器、机电换能器和水下换能器等领域。将沥青基的压复合压电材料埋置在路面中，当车辆驶过时，通过压电陶瓷复合材料将机械能转化为可利用的电能，可为健康监测系统提供用电，也可作为传感器使用。利用压电复合材料，可实现路面机械能的收集，并转化为健康监测系统供电的微电源与利用其压电性能实现路面传感器的制备。这种新型的复合材料技术应用前景广阔。但是其存在极化电压高和极化后其压电性能没有完全发挥出来的问题。
[0004]由于天然沥青常年与自然环境共存，性质特别稳定，具有非常优良的路用性能。天然沥青作为人工炼制沥青的改性剂少量掺加使用，形成改性沥青，使之优良的技术性能达到最大的发挥。岩沥青作为天然沥青，是一种年代久远的硬质沥青，一般作为改性材料添加到石油沥青或沥青混合料中改性使用，与石油沥青有很好的相溶性。同时可以采用现有的沥青改性剂如SBS等改性石油沥青，根据实际需要制备出某些特定性能的沥青。
[0005]由于极化是制备压电复合材料的关键工序之一，未经极化的压电复合材料几乎没有压电性，经过人工极化后才具有压电性，而极化是否充分影响到材料压电响应大小。由于压电陶瓷相的介电常数远远大于沥青基体的介电常数，故即使外加极化电压非常高，压电陶瓷颗粒上仍无法产生较高的电压。极化电压太低，极化效果差，无法充分发挥压电材料的压电性能，极化电压太高，有可能击穿材料致使介电损耗增大和极化的不充分。导电炭黑是一种电性能优良的材料，它不仅可以提高高分子聚合物和沥青的介电常数和电导率，还解决了界面相容性等问题，降低了外加极化电压，降低了操作难度，提高了复合压电材料的压电响应；但需要严格控制炭黑的用量，过多的导电炭黑将会使复合材料的电导率迅速增加，部分电能以漏电电流的形式被消耗而降低了陶瓷的极化程度。
[0006]《化工新型材料》第35卷第12期中刊登的“炭黑改性PZN-PZT/PVDF压电复合材料的制备与性能”中，公开了一种由PZN-PZT压电陶瓷粉体、聚偏氟乙烯(PVDF)和导电炭黑制备复合压电材料的方法。按质量比将PVDF、导电炭黑和PZN-PZT压电陶瓷粉体依次分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。将混合粉体研磨并压制成直径20mm、厚度I?2mm的薄片，在平板硫化机上于180°C下热处理1min,抛光后得到压电复合材料。再进行镀电极处理，干燥后放入已加热的硅油中进行极化。在极化电压为5?1kV.mm-1,温度为110°C下极化20min。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种与沥青路面的兼容性好、易于极化的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料。本发明的目的还在于提供一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法。
[0008]本发明的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料由重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂制成。
[0009]所述的沥青改性剂为天然岩沥青或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
[0010]所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷与无铅的压电陶瓷中的一种或者二者的混合物。
[0011]所述的沥青为石油沥青与天然沥青中的一种或者二者的混合物。
[0012]所述的炭黑为导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑或乙炔炭黑中的一种或者几种。
[0013]本发明的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法为:(1)将320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，连续搅拌至乙醇溶液全部挥发完毕；(2)将25?60份沥青放入模具中加热到170°C，再加入I?10份沥青改性剂，在速度为140rpm搅拌5min ;(3)将步骤(I)得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(2)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；(4)将模具加热至160?180°C ;(5)先将步骤(3)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；(6)粘结电极；(7)放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?SkV/mm下极化Imin?25min。
[0014]所述粘结电极是将金属箔片用导电胶粘结。
[0015]所述粘结电极是采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。
[0016]所述压实成型是在振动频率为20Hz?50Hz、振动力为3000N?5000N和压强为0.5MPa?5MPa下振动压实Imin?5min。
[0017]本发明的优点在于:
[0018]一、本发明在压电陶瓷沥青复合材料的基础上，加入炭黑，解决了界面相容性、极化过程难的问题。
[0019]二、本发明提出利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。
[0020]三、具有和路面兼容性好的特点，如和沥青混凝土路面具有相当的弹性模量和粘结界面好等。
[0021]四、天然沥青与石油沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决复合压电材料的极化难、电压高的问题，同时也没有将复合压电材料的压电和介电潜能完全发挥出来。而本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料提高了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了压电复合材料的极化电压，提高了复合压电材料的压电性能。
【具体实施方式】
[0022]下面举例对本发明做更详细的描述。
[0023]【具体实施方式】一:
[0024](I)按重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂的比例备好原料。
[0025](2)压电陶瓷粉的预处理:将步骤(I)中的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。
[0026](3)沥青与改性剂的混合:将步骤(I)中的沥青放入模具中加热到170°C，再加入步骤(I)中的沥青改性剂在速度为140rpm搅拌5min。
[0027](4)混料:加入步骤(2)得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(3)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料。
[0028](5)预热模具:将模具放入160?180°C的烘干箱中，直到模具达到指定温度。
[0029](6)成型:首先将步骤(4)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理。
[0030](7)粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。
[0031 ] (8)极化:将待极化材料放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0032]本发明沥青作为基体相，炭黑作为相容导电介质，压电陶瓷作为陶瓷相，利用沥青改性剂进行调节，以0-3型连接得到产品。在压电陶瓷沥青复合材料的基础上，加入炭黑，解决了极化过程难和压电潜能没完全发挥的问题。利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决压电陶瓷和沥青基体的融合性问题和极化难、电压高的问题，而本发制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料是压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了极化电压，更有利于压电复合材料的制备。
[0033]在实施方式所述的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，得到待极化材料，然后放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，即得到用于路面机械能收集的复合压电材料。
[0034]【具体实施方式】二:
[0035]本实施方式是在【具体实施方式】一的基础上，所述的沥青为石油沥青和天然沥青中的一种或者两种的混合物。其他与【具体实施方式】一相同。
[0036]本实施方式所述的沥青为混合物时，各组分之间按任意比混合。
[0037]【具体实施方式】三:
[0038]本实施方式是在【具体实施方式】一或二的基础上，所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷粉和无铅的压电陶瓷粉中的一种或者二者的混合物。其他与【具体实施方式】一或二相同。
[0039]本实施方式所述的压电陶瓷粉的粒径为0.5 μπι?70 μm，且所述的压电陶瓷粉粒径为0.5 μ m?2 μ m的压电陶瓷粉与粒径为50 μ m?70 μ m的压电陶瓷粉的体积比为(O?5):1的混合物。
[0040]【具体实施方式】四:
[0041]本实施方式是在【具体实施方式】一至三之一的基础上，所述的炭黑为CC、CF、SCF或ACEFo其他与【具体实施方式】一至四相同。
[0042]本实施方式所述的CC为导电槽黑。
[0043]本实施方式所述的CF为导电炉法碳黑。
[0044]本实施方式所述的SCF为超导电炉法碳黑。
[0045]本实施方式所述的ACEF为乙炔碳黑。
[0046]【具体实施方式】五:
[0047 ]本实施方式是在体实施方式一至四之一的基础上，所述的沥青改性剂为天然岩沥青或SBS。其他与【具体实施方式】一至四相同。
[0048]本实施方式所述的SBS为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
[0049]上述各实施方式中，步骤(3)中采用抛光处理去除成型表面的沥青，露出成型材料的陶瓷相。
[0050]上述实施方式制备的压电陶瓷-沥青复合压电材料突破现有基体物质的类型的限制，利用本实施方式制备的压电陶瓷-沥青复合压电材料可制备出用于路面机械能收集的复合压电材料。
[0051]在压电陶瓷沥青复合压电材料的基础上，加入炭黑，解决了界面相容性、极化过程难的问题；提出利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为检测系统提供用电，也可作为传感器使用。具有和路面兼容性好的特点，如相当的弹性模量和粘结界面好等。天然沥青与基质沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决压电陶瓷和沥青基体的融合性问题和极化难、电压高的问题，而本发制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料加强了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了极化电压，更有利于压电复合材料的制备。
[0052]采用下述试验验证本发明效果:
[0053]试验一:一种压电陶瓷-炭黑沥青复合压电材料的制备方法，具体是按一下步骤完成的:一、准备材料:首先按重量份数称取25?60份沥青、320?630份压电陶瓷粉、2?5份炭黑和I?10份沥青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理:将步骤一中的的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕；三、混料:首先将步骤一称取的25?60份沥青从室温加热至190°C，然后加入步骤一称取的I?10份沥青改性剂，并在温度为190°C和搅拌速度为150rpm加热搅拌5min，再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉，先在搅拌速度为140rpm下搅拌5min，即得到混合物料；四、将模具放入160?180°C的烘干箱中，使模具达到指定温度；五、成型:首先将步骤三得到的混合物料注入指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，即得到成型材料，然后在温度为30?80°C下进行抛光处理；六、粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极；七、极化:将待极化材料放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0054]试验一步骤一中所述的320?630份压电陶瓷粉由粒径为0.5μπι?2μπι的压电陶瓷粉与粒径为10 μπι?20 μπι的压电陶瓷粉按体积比3:2混合而成。
[0055]试验一步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷。
[0056]试验一步骤一中所述的沥青为石油沥青。
[0057]试验一步骤一中所述的改性剂为天然岩沥青。
[0058]试验一步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下:压强为1MPa下压实3min0
[0059]采用沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量，可知试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量为980MPa，而沥青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和沥青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和沥青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和破坏。
[0060]而本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和路面相匹配的弹性模量。
[0061]性能检测:
[0062]在试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，得到待极化材料，然后放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，得到用于路面机械能手机的复合压电材料；并对得到用于路面机械能手机的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能手机的复合压电材料的压电应变常数d33为52pC/N，用于路面机械能手机的复合压电材料的压电电压常数g33为1.58V.m/N，用于路面机械能手机的复合压电材料的介电损耗TanS为4.2X10—2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数ε J332.95ο
[0063]试验二:一种压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的制备方法，具体是按一下步骤完场的:一、准备材料:首先按重量称取25?60份沥青、320?630份压电陶瓷粉、2?5份炭黑和I?10份沥青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理:将步骤一中的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。三、沥青与改性剂的混合:将步骤一中的沥青放入模具中加热到170°C，再加入步骤一中的沥青改性剂在速度为140rpm搅拌5min ;四、混料:加入步骤二得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤三得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；五、预热模具:将模具放入160?180°C的烘干箱中，直到模具达到指定温度；六、成型:首先将步骤四得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；七、粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极；八、极化:将待极化材料放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0064]试验二步骤一中所述的320?630份压电陶瓷粉的粒径为10 μπι?20 μπι试验二步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷。
[0065]试验二步骤一中所述的沥青为石油沥青。
[0066]试验二步骤一中所述的改性剂为天然岩沥青。
[0067]试验二步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下:压强为1MPa下压实3min。
[0068]性能测试:
[0069]在试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极，得到待极化材料。然后放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，得到用于路面机械能手机的复合压电材料；并对得到用于路面机械能手机的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能手机的复合压电材料的压电应变常数d33为50.2pC/N,用于路面机械能手机的复合压电材料的压电电压常数g33为1.52V.m/N，用于路面机械能收集的复合压电的介电损耗Tan δ为4.4Χ 10_2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数ε ^为32.2.
[0070]采用沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量，可知试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量为700MPa，而沥青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和沥青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和沥青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏。
【主权项】
1.一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是由重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂制成。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的沥青改性剂为天然岩沥青或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。3.根据权利要求2所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷与无铅的压电陶瓷中的一种或者二者的混合物。4.根据权利要求3所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的沥青为石油沥青与天然沥青中的一种或者二者的混合物。5.根据权利要求4所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的炭黑为导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑或乙炔炭黑中的一种或者几种。6.一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:(I)将320?.630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，连续搅拌至乙醇溶液全部挥发完毕；(2)将25?60份沥青放入模具中加热到170°C，再加入I?10份沥青改性剂，在速度为140rpm搅拌5min ;(3)将步骤⑴得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(2)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；(4)将模具加热至160?180°C ;(5)先将步骤(3)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；(6)粘结电极；(7)放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。7.根据权利要求6所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述粘结电极是将金属箔片用导电胶粘结。8.根据权利要求7所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述粘结电极是采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。9.根据权利要求8所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述压实成型是在振动频率为20Hz?50Hz、振动力为3000N?5000N和压强为.0.5MPa?5MPa下振动压实Imin?5min。
【专利摘要】本发明提供的是一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料及制备方法。由重量份数为25～60份沥青、2～5份炭黑、320～630份压电陶瓷粉和1～10份沥青改性剂制成。本发明解决了界面相容性、极化过程难的问题。可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。和路面兼容性好。天然沥青与石油沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料提高了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了压电复合材料的极化电压，提高了复合压电材料的压电性能。
【IPC分类】C04B14/00, C04B26/26
【公开号】CN104891867
【申请号】CN201510253347
【发明人】吕建福, 孙雷, 郭庆勇, 王玮琛, 刘立明
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月18日
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种复合压电材料。本发明也涉及一种复合压电材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]中国的公路系统正逐渐向信息化、科技化、绿色化方向发展。在重视公路高速发展的同时，更要重视公路的质量及未来的维护工作，随着对路面功能要求和对其长期耐久性评价需求的提高，需要对其进行健康监测，但现有的传感器和路面的兼容性不好，不仅容易使路面和传感器造成损伤，也不能准确的反映其内部的健康状况，比如:光纤光栅传感器，静电容型压力传感器等。同时现有在线健康监测系统的供电主要由电池供给，而对于路面中的监测系统在运营期间很难或者无法更换电源。现在为了给监测系统提供更持久的续航，一般采用大容量的电池或者超级电容，其虽然可延长监测系统的供电时间，但是电池体积会增大很多，其在车辆的荷载作用下容易损伤，以及使路面结构产生破坏。因此，迫切需要开发一种可为监测系统供电的微型电源。
[0003]由于压电陶瓷与沥青路面的兼容性差，一方面容易导致埋置在路面中的压电片破碎，另一方面易导致路面的开裂和破坏。近年来，压电复合材料由于其成型的可设计性和制作成本低廉使其广泛应用于音频换能器、机电换能器和水下换能器等领域。将沥青基的压复合压电材料埋置在路面中，当车辆驶过时，通过压电陶瓷复合材料将机械能转化为可利用的电能，可为健康监测系统提供用电，也可作为传感器使用。利用压电复合材料，可实现路面机械能的收集，并转化为健康监测系统供电的微电源与利用其压电性能实现路面传感器的制备。这种新型的复合材料技术应用前景广阔。但是其存在极化电压高和极化后其压电性能没有完全发挥出来的问题。
[0004]由于天然沥青常年与自然环境共存，性质特别稳定，具有非常优良的路用性能。天然沥青作为人工炼制沥青的改性剂少量掺加使用，形成改性沥青，使之优良的技术性能达到最大的发挥。岩沥青作为天然沥青，是一种年代久远的硬质沥青，一般作为改性材料添加到石油沥青或沥青混合料中改性使用，与石油沥青有很好的相溶性。同时可以采用现有的沥青改性剂如SBS等改性石油沥青，根据实际需要制备出某些特定性能的沥青。
[0005]由于极化是制备压电复合材料的关键工序之一，未经极化的压电复合材料几乎没有压电性，经过人工极化后才具有压电性，而极化是否充分影响到材料压电响应大小。由于压电陶瓷相的介电常数远远大于沥青基体的介电常数，故即使外加极化电压非常高，压电陶瓷颗粒上仍无法产生较高的电压。极化电压太低，极化效果差，无法充分发挥压电材料的压电性能，极化电压太高，有可能击穿材料致使介电损耗增大和极化的不充分。导电炭黑是一种电性能优良的材料，它不仅可以提高高分子聚合物和沥青的介电常数和电导率，还解决了界面相容性等问题，降低了外加极化电压，降低了操作难度，提高了复合压电材料的压电响应；但需要严格控制炭黑的用量，过多的导电炭黑将会使复合材料的电导率迅速增加，部分电能以漏电电流的形式被消耗而降低了陶瓷的极化程度。
[0006]《化工新型材料》第35卷第12期中刊登的“炭黑改性PZN-PZT/PVDF压电复合材料的制备与性能”中，公开了一种由PZN-PZT压电陶瓷粉体、聚偏氟乙烯(PVDF)和导电炭黑制备复合压电材料的方法。按质量比将PVDF、导电炭黑和PZN-PZT压电陶瓷粉体依次分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。将混合粉体研磨并压制成直径20mm、厚度I?2mm的薄片，在平板硫化机上于180°C下热处理1min,抛光后得到压电复合材料。再进行镀电极处理，干燥后放入已加热的硅油中进行极化。在极化电压为5?1kV.mm-1,温度为110°C下极化20min。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种与沥青路面的兼容性好、易于极化的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料。本发明的目的还在于提供一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法。
[0008]本发明的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料由重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂制成。
[0009]所述的沥青改性剂为天然岩沥青或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
[0010]所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷与无铅的压电陶瓷中的一种或者二者的混合物。
[0011]所述的沥青为石油沥青与天然沥青中的一种或者二者的混合物。
[0012]所述的炭黑为导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑或乙炔炭黑中的一种或者几种。
[0013]本发明的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法为:(1)将320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，连续搅拌至乙醇溶液全部挥发完毕；(2)将25?60份沥青放入模具中加热到170°C，再加入I?10份沥青改性剂，在速度为140rpm搅拌5min ;(3)将步骤(I)得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(2)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；(4)将模具加热至160?180°C ;(5)先将步骤(3)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；(6)粘结电极；(7)放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?SkV/mm下极化Imin?25min。
[0014]所述粘结电极是将金属箔片用导电胶粘结。
[0015]所述粘结电极是采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。
[0016]所述压实成型是在振动频率为20Hz?50Hz、振动力为3000N?5000N和压强为0.5MPa?5MPa下振动压实Imin?5min。
[0017]本发明的优点在于:
[0018]一、本发明在压电陶瓷沥青复合材料的基础上，加入炭黑，解决了界面相容性、极化过程难的问题。
[0019]二、本发明提出利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。
[0020]三、具有和路面兼容性好的特点，如和沥青混凝土路面具有相当的弹性模量和粘结界面好等。
[0021]四、天然沥青与石油沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决复合压电材料的极化难、电压高的问题，同时也没有将复合压电材料的压电和介电潜能完全发挥出来。而本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料提高了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了压电复合材料的极化电压，提高了复合压电材料的压电性能。
【具体实施方式】
[0022]下面举例对本发明做更详细的描述。
[0023]【具体实施方式】一:
[0024](I)按重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂的比例备好原料。
[0025](2)压电陶瓷粉的预处理:将步骤(I)中的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。
[0026](3)沥青与改性剂的混合:将步骤(I)中的沥青放入模具中加热到170°C，再加入步骤(I)中的沥青改性剂在速度为140rpm搅拌5min。
[0027](4)混料:加入步骤(2)得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(3)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料。
[0028](5)预热模具:将模具放入160?180°C的烘干箱中，直到模具达到指定温度。
[0029](6)成型:首先将步骤(4)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理。
[0030](7)粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。
[0031 ] (8)极化:将待极化材料放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0032]本发明沥青作为基体相，炭黑作为相容导电介质，压电陶瓷作为陶瓷相，利用沥青改性剂进行调节，以0-3型连接得到产品。在压电陶瓷沥青复合材料的基础上，加入炭黑，解决了极化过程难和压电潜能没完全发挥的问题。利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决压电陶瓷和沥青基体的融合性问题和极化难、电压高的问题，而本发制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料是压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了极化电压，更有利于压电复合材料的制备。
[0033]在实施方式所述的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，得到待极化材料，然后放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，即得到用于路面机械能收集的复合压电材料。
[0034]【具体实施方式】二:
[0035]本实施方式是在【具体实施方式】一的基础上，所述的沥青为石油沥青和天然沥青中的一种或者两种的混合物。其他与【具体实施方式】一相同。
[0036]本实施方式所述的沥青为混合物时，各组分之间按任意比混合。
[0037]【具体实施方式】三:
[0038]本实施方式是在【具体实施方式】一或二的基础上，所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷粉和无铅的压电陶瓷粉中的一种或者二者的混合物。其他与【具体实施方式】一或二相同。
[0039]本实施方式所述的压电陶瓷粉的粒径为0.5 μπι?70 μm，且所述的压电陶瓷粉粒径为0.5 μ m?2 μ m的压电陶瓷粉与粒径为50 μ m?70 μ m的压电陶瓷粉的体积比为(O?5):1的混合物。
[0040]【具体实施方式】四:
[0041]本实施方式是在【具体实施方式】一至三之一的基础上，所述的炭黑为CC、CF、SCF或ACEFo其他与【具体实施方式】一至四相同。
[0042]本实施方式所述的CC为导电槽黑。
[0043]本实施方式所述的CF为导电炉法碳黑。
[0044]本实施方式所述的SCF为超导电炉法碳黑。
[0045]本实施方式所述的ACEF为乙炔碳黑。
[0046]【具体实施方式】五:
[0047 ]本实施方式是在体实施方式一至四之一的基础上，所述的沥青改性剂为天然岩沥青或SBS。其他与【具体实施方式】一至四相同。
[0048]本实施方式所述的SBS为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
[0049]上述各实施方式中，步骤(3)中采用抛光处理去除成型表面的沥青，露出成型材料的陶瓷相。
[0050]上述实施方式制备的压电陶瓷-沥青复合压电材料突破现有基体物质的类型的限制，利用本实施方式制备的压电陶瓷-沥青复合压电材料可制备出用于路面机械能收集的复合压电材料。
[0051]在压电陶瓷沥青复合压电材料的基础上，加入炭黑，解决了界面相容性、极化过程难的问题；提出利用压电陶瓷复合材料将机械能转换为电能，可为检测系统提供用电，也可作为传感器使用。具有和路面兼容性好的特点，如相当的弹性模量和粘结界面好等。天然沥青与基质沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。现有的压电沥青材料虽然解决了压电复合材料和沥青路面兼容性差的问题，不易导致路面的开裂和损坏，但是没有解决压电陶瓷和沥青基体的融合性问题和极化难、电压高的问题，而本发制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料加强了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了极化电压，更有利于压电复合材料的制备。
[0052]采用下述试验验证本发明效果:
[0053]试验一:一种压电陶瓷-炭黑沥青复合压电材料的制备方法，具体是按一下步骤完成的:一、准备材料:首先按重量份数称取25?60份沥青、320?630份压电陶瓷粉、2?5份炭黑和I?10份沥青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理:将步骤一中的的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕；三、混料:首先将步骤一称取的25?60份沥青从室温加热至190°C，然后加入步骤一称取的I?10份沥青改性剂，并在温度为190°C和搅拌速度为150rpm加热搅拌5min，再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉，先在搅拌速度为140rpm下搅拌5min，即得到混合物料；四、将模具放入160?180°C的烘干箱中，使模具达到指定温度；五、成型:首先将步骤三得到的混合物料注入指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，即得到成型材料，然后在温度为30?80°C下进行抛光处理；六、粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极；七、极化:将待极化材料放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0054]试验一步骤一中所述的320?630份压电陶瓷粉由粒径为0.5μπι?2μπι的压电陶瓷粉与粒径为10 μπι?20 μπι的压电陶瓷粉按体积比3:2混合而成。
[0055]试验一步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷。
[0056]试验一步骤一中所述的沥青为石油沥青。
[0057]试验一步骤一中所述的改性剂为天然岩沥青。
[0058]试验一步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下:压强为1MPa下压实3min0
[0059]采用沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量，可知试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量为980MPa，而沥青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和沥青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和沥青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和破坏。
[0060]而本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和路面相匹配的弹性模量。
[0061]性能检测:
[0062]在试验一制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，得到待极化材料，然后放入30?80°C硅油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，得到用于路面机械能手机的复合压电材料；并对得到用于路面机械能手机的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能手机的复合压电材料的压电应变常数d33为52pC/N，用于路面机械能手机的复合压电材料的压电电压常数g33为1.58V.m/N，用于路面机械能手机的复合压电材料的介电损耗TanS为4.2X10—2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数ε J332.95ο
[0063]试验二:一种压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的制备方法，具体是按一下步骤完场的:一、准备材料:首先按重量称取25?60份沥青、320?630份压电陶瓷粉、2?5份炭黑和I?10份沥青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理:将步骤一中的320?630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，然后在磁力搅拌器中连续搅拌，直至乙醇溶液全部挥发完毕。三、沥青与改性剂的混合:将步骤一中的沥青放入模具中加热到170°C，再加入步骤一中的沥青改性剂在速度为140rpm搅拌5min ;四、混料:加入步骤二得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤三得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；五、预热模具:将模具放入160?180°C的烘干箱中，直到模具达到指定温度；六、成型:首先将步骤四得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；七、粘结电极:采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极；八、极化:将待极化材料放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。即得到压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料。
[0064]试验二步骤一中所述的320?630份压电陶瓷粉的粒径为10 μπι?20 μπι试验二步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷。
[0065]试验二步骤一中所述的沥青为石油沥青。
[0066]试验二步骤一中所述的改性剂为天然岩沥青。
[0067]试验二步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下:压强为1MPa下压实3min。
[0068]性能测试:
[0069]在试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料表面采用采用金属箔片并用导电胶粘结；或者采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极，得到待极化材料。然后放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min，得到用于路面机械能手机的复合压电材料；并对得到用于路面机械能手机的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能手机的复合压电材料的压电应变常数d33为50.2pC/N,用于路面机械能手机的复合压电材料的压电电压常数g33为1.52V.m/N，用于路面机械能收集的复合压电的介电损耗Tan δ为4.4Χ 10_2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数ε ^为32.2.
[0070]采用沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量，可知试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料的弹性模量为700MPa，而沥青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验二制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合压电材料具有和沥青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和沥青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏。
【主权项】
1.一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是由重量份数为25?60份沥青、2?5份炭黑、320?630份压电陶瓷粉和I?10份沥青改性剂制成。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的沥青改性剂为天然岩沥青或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。3.根据权利要求2所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的压电陶瓷粉为有铅的压电陶瓷与无铅的压电陶瓷中的一种或者二者的混合物。4.根据权利要求3所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的沥青为石油沥青与天然沥青中的一种或者二者的混合物。5.根据权利要求4所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料，其特征是:所述的炭黑为导电槽黑、导电炉法碳黑、超导电炉法碳黑、特导电炉法碳黑或乙炔炭黑中的一种或者几种。6.一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:(I)将320?.630份压电陶瓷粉和2?5份炭黑分散在70°C的乙醇溶液中，连续搅拌至乙醇溶液全部挥发完毕；(2)将25?60份沥青放入模具中加热到170°C，再加入I?10份沥青改性剂，在速度为140rpm搅拌5min ;(3)将步骤⑴得到的压电陶瓷粉和炭黑的混合物和步骤(2)得到的沥青与改性剂的混合物在搅拌速度为150rpm下搅拌3min，得到混合物料；(4)将模具加热至160?180°C ;(5)先将步骤(3)得到的混合物料注入达到指定温度的模具中，然后在常温下压实成型，并在温度为30?80°C下进行抛光处理；(6)粘结电极；(7)放入30?80°C娃油中，并在电场强度为1.5kV/mm?5kV/mm下极化Imin?25min。7.根据权利要求6所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述粘结电极是将金属箔片用导电胶粘结。8.根据权利要求7所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述粘结电极是采用低温导电银浆进行表面涂覆，形成电极。9.根据权利要求8所述的压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料的制备方法，其特征是:所述压实成型是在振动频率为20Hz?50Hz、振动力为3000N?5000N和压强为.0.5MPa?5MPa下振动压实Imin?5min。
【专利摘要】本发明提供的是一种压电陶瓷粉与炭黑和沥青复合压电材料及制备方法。由重量份数为25～60份沥青、2～5份炭黑、320～630份压电陶瓷粉和1～10份沥青改性剂制成。本发明解决了界面相容性、极化过程难的问题。可为监测系统提供用电，也可作为传感器使用。和路面兼容性好。天然沥青与石油沥青具有良好的配伍性、持久的耐老化性、大大提高基质沥青路用性能。本发明制备的压电陶瓷-炭黑-沥青复合材料提高了压电陶瓷和沥青界面相容性，降低了压电复合材料的极化电压，提高了复合压电材料的压电性能。
【IPC分类】C04B14/00, C04B26/26
【公开号】CN104891867
【申请号】CN201510253347
【发明人】吕建福, 孙雷, 郭庆勇, 王玮琛, 刘立明
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月18日
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