偶氮聚合物基光電復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料由于兼具了聚合物的柔韌性、易加工性和壓電陶瓷的高介電和高壓電性而受到越來越多的關(guān)注。本文在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)并分析壓電復(fù)合材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前陶瓷/聚合物復(fù)合材料介電和壓電性能不高的情況，通過界面鰲合的方法提高了復(fù)合材料的介電常數(shù)和壓電系數(shù)，并分析了介電和壓電性能提高的機(jī)理。以復(fù)合材料的高介電和高壓電性能為依托，制備出具有光機(jī)電效應(yīng)的壓電陶瓷/偶氮聚合物光電復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了光能-機(jī)械能-電能之間的轉(zhuǎn)換。

2、通過系統(tǒng)研究獲得以下成果： 將兩種主鏈型偶氮聚酰胺（AZOPA1和AZOPA2）分別與鋯鈦酸鉛（PZT）熱壓復(fù)合制備了PZT/偶氮聚酰胺復(fù)合材料。研究了PZT/偶氮聚酰胺復(fù)合材料介電性能和壓電性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在PZT體積分?jǐn)?shù)（fPZT）為0．7時(shí)，PZT/AZOPA1和PZT/AZOPA2復(fù)合材料的壓電系數(shù)分別為50 pC/N和41 pC/N，在100 Hz介電常數(shù)分別為95和76，極化后，介電常數(shù)分別增加至114和91。PZT

3、/AZOPA1和PZT/AZOPA2復(fù)合材料在3000μW/c㎡、365nm的紫外光輻照后的介電常數(shù)和介電損耗均未發(fā)生改變，壓電系數(shù)有小幅增加。 通過溶液聚合合成了馬來酸酐（MA）-乙酸乙烯酯（VA）交替共聚物（VAMA）。采用傅里葉紅外吸收光譜（FT-IR）、示差掃描量熱分析（DSC）和介電頻譜等方法對(duì)VAMA的分子結(jié)構(gòu)、熱性能和介電性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：VAMA玻璃化溫度為82℃，熔點(diǎn)為170℃，介電常數(shù)為5，介電損耗低于

4、0．05。以合成的VAMA為聚合物基體，通過熱壓法制備了PZTNAMA復(fù)合材料。采用FTIR、X射線光電子能譜（XPS）、固體核磁（NMR）、X射線衍射（XRD）以及DSC等方法分析了復(fù)合材料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：VAMA的酸酐和羧基基團(tuán)與PZT顆粒表面的鉛原子之間發(fā)生了固相螯合反應(yīng)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)位于PZT與VAMA界面處的螯合反應(yīng)極大改善了復(fù)合材料內(nèi)部PZT相與VA

5、MA相的界面連接。 通過介電頻譜儀測試了PZT/VAMA復(fù)合材料的介電性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料具有超高的介電性能，在fPZT=0．7時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)達(dá)到最高值，在40 Hz時(shí)，介電常數(shù)為1300，超過PZT的介電常數(shù)．是現(xiàn)有的高介電性PZT/聚偏氟乙烯（PVDF）復(fù)合材料的七倍。運(yùn)用電介質(zhì)極化理論對(duì)復(fù)合材料的高介電性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：復(fù)合材料的高介電常數(shù)源于PZT和VAMA界面間的界面極化和分子取向極化。采用準(zhǔn)靜態(tài)壓電

6、系數(shù)測量儀對(duì)PZT/VAMA復(fù)合材料的壓電系數(shù)（d33）進(jìn)行分析，結(jié)果表明：復(fù)合材料具有極高的壓電系數(shù)，在fPZT=0．7時(shí)復(fù)合材料壓電系數(shù)達(dá)到最高值170，為現(xiàn)有高壓電性PZT/PVDF復(fù)合材料的三倍。理論分析表明PZT/VAMA復(fù)合材料的高壓電性能源于復(fù)合材料中界面螯合反應(yīng)對(duì)陶瓷晶體極化率的提高。 以VAMA作為一種表面改性劑，制備了添加VAMA的PZT/PVDF復(fù)合材料。對(duì)復(fù)合材料的介電和壓電性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：VAM

7、A的添加極大提高了PZT/PVDF復(fù)合材料介電常數(shù)并降低了PZT/PVDF復(fù)合材料的介電損耗；VAMA的添加同時(shí)也提高了PZT/PVDF復(fù)合材料的壓電系數(shù)。 以羥基偶氮苯為摻雜組分，采用熱壓法制備了偶氮化合物摻雜的PZT/VAMA復(fù)合材料。以3000μW/c㎡、365 nm紫外光輻照偶氮化合物摻雜PZTNAMA復(fù)合材料后，對(duì)復(fù)合材料的光機(jī)電性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：偶氮化合物摻雜PZT/VAMA復(fù)合材料樣片經(jīng)3000μW/c㎡、3

8、65 nm紫外光輻照后介電常數(shù)和介電損耗均未發(fā)生變化；在fPZT=0．7時(shí)，復(fù)合材料樣片側(cè)面經(jīng)紫外光輻照后壓電系數(shù)在60 min后達(dá)到最高值，由輻照前的104增加至126，增幅為17%，證實(shí)了光機(jī)電效應(yīng)。 以VAMA和羥基偶氮苯為反應(yīng)物，通過酯化反應(yīng)合成了側(cè)鏈型偶氮聚合物VAMA-g-HAB。通過介電頻譜、FT-IR和紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）等對(duì)VAMA-g-HAB的介電性能、分子結(jié)構(gòu)和光致異構(gòu)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：側(cè)

9、鏈型偶氮聚合物VAMA-g-HAB具有較高的介電常數(shù)和低的介電損耗；在紫外光照射下，聚合物表現(xiàn)出光致異構(gòu)性。以VAMA-g-HAB為聚合物基體，通過熱壓法制備了PZT/側(cè)鏈型偶氮聚合物復(fù)合材料。以3000μW/c㎡、365 nm紫外光對(duì)PZT/側(cè)鏈型偶氮聚合物復(fù)合材料輻照后，對(duì)復(fù)合材料的光機(jī)電性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PZT/側(cè)鏈型偶氮聚合物基復(fù)合材料樣片經(jīng)紫外光輻照后的介電常數(shù)和介電損耗均未發(fā)生改變；在fPZT=0．7時(shí)，復(fù)合材料在紫外