PZT_PVDF-TrFE复合材料的制备与性能研究.pdf

摘要

压电陶瓷/聚合物复合材料综合了无机陶瓷与有机聚合物的优点，使材料同时具备

良好的电学性能以及机械性能，可广泛应用于柔性电子器件，如存储器、传感器和换能

器等。本文选用压电性能优异的锆钛酸铅基陶瓷(PZT)为增强体，压电系数高和柔韧性

优的压电聚合物材料聚偏氟乙烯三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）为基体，分别采用热压

法和流延法制备PZT/PVDF-TrFE复合材料，通过调控制备工艺参数，探索复合材料结

构与性能的相互关系。主要研究成果如下：

（1）采用热压法成功制备了PZT/PVDF-TrFE复合块体。复合块体材料的介电常数、

压电常数以及储能密度均随着PZT含量（20vol%、30vol%、40vol%）的增多而逐渐升

高，击穿场强和介电损耗则随着陶瓷含量的增多而降低。在40vol%的PZT含量下，随

着热压温度（120℃、130℃、140℃、150℃）的升高，40vol%PZT/PVDF-TrFE复合块

体的介电常数、压电常数以及储能密度均有提升，而击穿场强和介电损耗略有下降。在

热压温度为150℃时，延长热压时间（10min、30min、60min），复合块体材料的相关

电学性能均随着热压时间的增大呈现先增后减的趋势。在150℃、30min制备的40vol%

PZT/PVDF-TrFE复合块体中两相结合更为紧密，致密度更高，因此电学性能最佳。室温

下的介电常数和介电损耗分别为61.6和0.016（测试频率为20Hz）；压电常数d33为22.8

3

pC/N；储能密度为0.00855J/cm；在116℃和10kHz的条件下，介电常数最高可达129。

（2）采用流延法制备PZT/PVDF-TrFE复合薄膜（PZT体积分数分别为20%、30%、

40%、50%、60%、70%）。复合薄膜材料的介电常数、压电常数及储能密度先随着PZT

含量的增多而增大，在PZT含量为60vol%时达到峰值，当PZT含量大于60vol%时，

陶瓷粉体团聚加剧，导致介电常数、压电常数和储能密度降低；相应的，击穿场强和介

电损耗随PZT含量的增加呈先减小后增加的变化规律。升高热处理温度由60℃至70℃

时，PZT/PVDF-TrFE复合薄膜材料的介电常数、压电常数及储能密度均随温度的升高而

增大，当热处理温度增至80℃以上，薄膜中孔隙增多，导致其性能下降。因此当PZT体

积分数为60%、热处理温度为70℃时，PZT/PVDF-TrFE复合薄膜电学性能最优，且高

于热压法制备的复合块体材料，其室温低频介电常数为126.8，介电损耗为0.062；d33为

3

40.9pC/N；储能密度为0.123J/cm，储能效率为17.7%；在116℃和10kHz下，介电常

数达到185.5。

（3）利用多巴胺表面改性PZT陶瓷粉体，流延法制备60vol%dopa@PZT/PVDF-

I

TrFE复合薄膜。改性后的复合薄膜其介电常数增至129.3；d33为43pC/N；储能密度达

3

到0.137J/cm。

关键词：锆钛酸铅，聚偏氟乙烯-三氟乙烯，多巴胺，压电复合材料，电学性能

II

Abstract

Piezoelectricceramic/polymercompositescombinetheadvantagesofinorganicceramics

andorganicpolymers,sothatthematerialshavegoodelectricalandmechanicalpropertiesat

thesametime.Theycanbewidelyusedinflexibleelectronicdevices,suchasmemory,sensors

andtransdu