CN101304069A - 部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电材料(2)和包覆在压电材料(2)外表面的涂布电极(3)，压电材料(2)表面包括涂布电极部分(3)和未涂布电极部分(4)，涂布电极部分(3)为涂布电极(31)，其沿含有金属芯的压电纤维延伸的方向部分地覆盖压电材料(2)的表面。本发明的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维可以实现传统的压电双晶片等驱动元件的驱动功能，用作微驱动器、能量回收以及振动控制等，尤其可实现弯曲振动功能，克服了现有的压电纤维的应用缺陷。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种压电纤维，尤其涉及一种含金属芯的压电纤维。
二、背景技术
智能结构大多采用功能器件与基体结构相集成的结构形式，为了便于与结构基体相集成，这对智能结构中的功能元件的几何形状与尺寸提出了新的要求。传统的压电功能器件以块状和片状居多，由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性影响很大，也会改变结构的许多性能，甚至影响结构的使用，缩短结构的使用寿命。满足智能结构提出的易于集成要求的理想几何形状有薄板和纤维。此外，传统的压电材料存在着显著的缺点，由于陶瓷的脆性，压电陶瓷无法承受大的冲击，也不能应用于弯曲的平面，因此限制了压电陶瓷的广泛应用。
针对这样的几何形状要求，和为了克服传统压电陶瓷的缺点，上个世纪九十年代中期，美国MIT驱动材料和结构实验室提出了纤维状压电材料(AFC：ActiveFiber Composite，fiber-shaped piezoelectric material)的概念，并成功制作了AFC。自从这一概念的提出，引起了国际学术界和工程界的广泛关注。美国、德国及日本等国家每年投入大量的资金对压电纤维的制备及其应用等方面开展了广泛的研究工作，并取得了许多可喜的研究成果。
尽管AFC和传统的压电材料相比，性能上有很大的提高，但也存在着缺点。首先，PZT纤维的圆形横截面使PZT和电极的接触面积很小，降低了AFC的机电转换能力。其次，过高的制造成本也限制了AFC的使用。再有，AFC需要很高的驱动电压。
针对AFC的优缺点，美国航空航天局NASA对压电纤维的制备及应用展开了深入的研究，他们提出采用流延成型法制备压电薄膜，经过一定的烧结工艺，然后采用切割法制备压电纤维，并成功制作了MFC(Macro Fiber Composite)。MFC是把横截面为矩形的PZT纤维横向排列在环氧聚合物中，并使用了指形交叉电极。和AFC不同的是，MFC中的矩形PZT纤维提高了PZT和电极的接触面积，提高了其机电转换效率。另外，MFC中的PZT纤维是从传统的PZT陶瓷中切割出来的，降低了其制造成本。由于MFC的柔韧性较高，可以高效的用于航空航天结构中的振动控制和形状控制。德国采用美国压电纤维制备的核心技术，利用先进的仪器设备，成功的制备了多种性能的压电纤维及其器件，并销售给世界各地的科研院所及公司。由此可见，压电纤维有广阔的市场前景与应用价值。
但是，由于AFC和MFC中的纤维只能在聚合物中，整体作为一个器件使用，不能单独使用；且只有在交叉电极中的部分纤维可以作为传感和驱动用，其效率受到很大的影响。
中国发明专利申请(申请号：200510075352.4)公开了一种具有金属芯的压电陶瓷纤维，通过挤压法以细长的线状结构形成，直径为50-500微米之间，其压电材料为钛酸钡或锆钛酸铅，其金属芯为银钯合金、镍、铜、铝丝；这种具有金属芯的压电陶瓷纤维适用于汽车轮胎领域的安全监控，可以利用挤压法得到或者通过在金属芯上浸渍、喷镀或等离子沉积等方法得到，其金属芯和压电陶瓷材料之间的结合不紧密，造成含有金属芯压电陶瓷纤维的性能降低或者出现不可重复性。该发明专利申请未公开其他成分的压电陶瓷纤维并且未给出这种具有金属芯的压电陶瓷纤维制备方法。
含有金属芯的压电纤维最大好处就在于金属芯可以作为电极使用，这样只需要在纤维的外表面镀上电极，单根纤维就可以用作传感器或者驱动器。现有的纤维的表面都是全部镀上电极材料，只可以沿长度方向测量伸缩模式下的参数，也就是说它只能实现长度方向上的伸缩振动，不能实现弯曲振动，限制了其作为驱动元件的应用范围。
二、发明内容
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种可以实现弯曲驱动的含金属芯压电纤维。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明提供一种部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其包括金属芯、包覆金属芯的压电材料和包覆在压电材料外表面的涂布电极，压电材料表面包括涂布电极部分和未涂布电极部分，涂布电极部分为涂布电极，其沿着含有金属芯的压电纤维的长度延伸的方向部分地覆盖压电陶瓷材料表面；从本技术方案含有金属芯的压电陶瓷纤维的剖视方向来看，涂布电极部分只覆盖压电材料表面的一部分，其沿着纤维的长度方向延伸。现有的压电纤维表面都是全部涂布电极材料，其只能实现沿着压电陶瓷纤维长度方向的测量功能；而本技术方案的压电陶瓷纤维的涂布电极未完全覆盖压电陶瓷材料表面，在表面留有未涂布部分，这样，当在金属芯和外层电极上外加电压时，陶瓷内部表面覆盖电极部分有电场，而表面没有覆盖电极部分几乎没有电场。极化时，有电场部分被极化，形成压电材料；而没有电场部分不会被极化，只是普通材料。极化后，当在金属芯和外层电极上施加电压时，由于压电效应，极化部分将沿纤维长度产生伸长或缩短；而没有极化部分和金属芯由于没有压电效应，将抵制极化部分的伸长或缩短，它们共同作用的结果，将使整个纤维向下或向上弯曲。当需要小位移的精确定位时，可以发挥重要作用。
只要涂布电极覆盖压电材料表面的一部分即可实现弯曲振动功能；一般地，涂布电极部分占有压电材料表面积的一半，即从压电纤维的剖视方向来看，涂布电极部分覆盖压电瓷材料表面的一半，并沿着压电纤维长度方向延伸。
本技术方案的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维中，金属芯的直径值10微米≤d≤200微米，所述的金属芯由耐高温1000℃-3500℃并且不易氧化的金属材料制成；一般选用铂金或者金或者钼或者钨。
一般地，本技术方案的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维的截面大致呈圆形，也可以根据实际应用场合的需要为椭圆形、长方形或正方形。
为了防止涂布电极在应用中脱落，涂布电极与压电材料之间还设置一金属过渡层，一般为铬层。
3、有益效果：本技术方案的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维可以实现传统的压电双晶片等驱动元件的驱动功能，用作微驱动器、能量回收以及振动控制等，尤其可实现弯曲振动功能，克服了现有的压电纤维的应用缺陷，以下将结合具体实施方式进一步说明本技术方案的优点。
四、附图说明
图1是本发明的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维一种实施方式的结构示意图；
图2是图1的剖视示意图；
图3是本发明的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维另一种实施方式的剖视示意图；
图4是第一种实施例的工作原理图，即本发明的部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维应用于悬臂梁结构时，在内外电极上施加电压，产生弯曲位移的示意图；
图5是第一种实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维的位移与电压的线性关系示意图。
五、具体实施方式
实施例一：如图1、图2所示，本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，包括金属芯1、包覆金属芯1的压电材料2和包覆在压电材料2外表面的涂布电极3，压电材料2表面包括涂布电极部分3和未涂布电极部分4，涂布电极部分3为涂布电极31，其沿含有金属芯的压电纤维延伸的方向部分地覆盖压电材料2的表面；其中，涂布电极部分3占有压电材料2表面积的一半；
金属芯1直径的值为25微米，所述的金属芯1材料为铂金；
本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维截面为圆形；
为了防止涂布电极在应用中脱落，涂布电极3与压电材料2之间涂布有过渡电极层5，过渡电极层5为铬层。
本实施例的压电材料2优选压电陶瓷材料。
如图4所示，当本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维一端固定、一端自由时，整体成悬臂梁结构，在金属芯1和涂布电极3上施加电压，在自由端将产生弯曲位移。
如图5所示，可见所施加的电压和自由端弯曲位移成线性关系。
实施例二：
如图1、图3所示，本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，包括金属芯1、包覆金属芯1的压电材料2和包覆在压电材料2外表面的涂布电极3，压电材料2表面包括涂布电极部分3和未涂布电极部分4，涂布电极部分3为涂布电极31，其沿含有金属芯的压电纤维延伸的方向部分地覆盖压电材料2的表面；其中，涂布电极部分3占有压电材料2表面积的三分之一；
本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，金属芯1的直径为10200微米，金属芯1采用耐高温的材料，如钼；
本实施例的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维截面椭圆形；
本实施例的压电材料2优选为压电高分子材料。
Claims (9)
1、一种部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电材料(2)和包覆在压电材料(2)外表面的涂布电极(3)，其特征在于，压电材料(2)表面包括涂布电极部分(3)和未涂布电极部分(4)，涂布电极部分(3)为涂布电极(31)，其沿含有金属芯的压电纤维延伸的方向部分地覆盖压电材料(2)的表面。
2、如权利要求1所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其特征在于，涂布电极部分(3)部分地占有压电材料(2)的表面积。
3、如权利要求1或2所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其特征在于，涂布电极部分(3)占有压电材料(2)表面积的一半。
4、如权利要求1或2所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其特征在于，金属芯(1)直径(d)的值为10微米≤d≤200微米，所述的金属芯(1)由耐高温1000℃-3500℃并且不易氧化的金属材料制成；
5、如权利要求4所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其特征在于，金属芯(1)的材料为铂金或者金或者钼或者钨。
6、如权利要求1所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电纤维，其特征在于，纤维的截而为圆形、椭圆形、长方形或正方形。
7、如权利要求1或2所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，涂布电极(3)与压电材料(2)之间涂布有过渡电极层(5)。
8、如权利要求7所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，所述的过渡电极层(5)为铬层。
9、如权利要求1和2中所述的部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，压电材料(2)为压电陶瓷材料或者压电高分子材料。
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