CN101689598A

CN101689598A - 压电复合材料

Info

Publication number: CN101689598A
Application number: CN200780052548A
Authority: CN
Inventors: 张斗; 卡尔·梅格斯; 蒂莫西·威廉·布顿; 杰弗瑞·多尔曼
Original assignee: University of Birmingham
Current assignee: University of Birmingham
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2010-03-31
Also published as: US20100104876A1; WO2008107624A1; EP2118943A1; JP2010520633A

Abstract

本发明提供一种生产包含压电纤维阵列的复合材料的方法，该方法包括：(a)提供：(a1)多个包含压电材料或压电材料前体和第一载体的第一条状物，和(a2)多个包含可分解材料和第二载体的第二条状物；(b)将所述多个所述第一和第二条状物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一条状物通过第二条状物与相邻的第一条状物分开；(c)加热步骤，其包括加热所述堆以除去所述第一和第二载体和所述可分解材料；(d)用填充材料浸渍所述堆以形成压电条状物的复合材料堆；和(e)切割所述堆以形成含压电纤维阵列的复合材料。在一个替代方法中，切割(e)在加热步骤(c)之前进行。该方法允许生产平均纤维间隔为5μm或更小的纤维阵列。

Description

压电复合材料

本发明涉及压电复合材料。更具体而言，本发明涉及形成含压电纤维阵列的复合材料的方法和包含通过本发明的方法形成的压电纤维阵列的复合材料。

含压电纤维阵列的复合材料通常包括嵌入聚合物基体的单轴排列压电纤维的单层。每一根纤维都以类似的距离与相邻且基本平行的纤维分开，并且其通过聚合物基体保持在适当的位置。

通常，含压电纤维阵列的复合材料(例如由本发明提供的)可用作例如激励器和/或传感器。具有组合的感测和激励功能的装置更通常称为换能器，并且该类装置在例如振动控制和能量收集中具有广泛应用。

为了用于这些应用，将电极沉积在复合材料周围。虽然已经提出几种类型的电极设计，但是认为使用一种称为叉指状电极(interdigitedelectrode，IDE)的电极是有利的。将这种电极跨越纤维阵列而沉积在复合材料的上面和下面。这利用了纵向‘d33’压电效应，与用于常规贯通面极化压电激励器(through-plane poled piezoelectric actuator)中较弱的‘d31’压电效应相比，其产生了近乎两倍的应变激励。

图1示出了典型的压电纤维复合材料的实例，其中圆形纤维嵌入聚合物基体中。在该图中，压电材料的单根纤维可以通过挤出法来制造。然后将单根纤维嵌入聚合物基体中。这类压电纤维复合材料记载于例如美国专利6048622中。

本发明人已经认识到使用含压电纤维阵列的复合材料是有益的，特别是当与叉指状电极组合使用时更是如此。然而，本发明人已经认识到可以改进包含压电纤维阵列的常规复合材料的组成。因此，本发明人设计并制造了含压电纤维阵列的新型复合材料。

因此，本发明提供一种生产包含压电纤维阵列的复合材料的方法，该方法包括：

(a)提供：

(a1)多个包含压电材料或压电材料前体和第一载体的第一条状物，和

(a2)多个包含可分解材料和第二载体的第二条状物；

(b)将所述多个所述第一和第二条状物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一条状物通过第二条状物与相邻的第一条状物分开；

(c)一个或更多个加热步骤，其包括加热所述堆以除去所述第一和第二载体以及所述可分解材料；

(d)用填充材料浸渍所述堆以形成压电条状物的复合材料堆；和

(e)切割所述堆以形成包含压电纤维阵列的复合材料。

本发明还提供一种生产包含压电纤维阵列的复合材料的方法，该方法包括：

(a)提供：

(a2)多个包含可分解材料和第二载体的第二条状物；

(c)切割所述的堆以形成压电纤维阵列；

(d)一个或更多个加热步骤，其包括加热所述阵列以除去所述第一和第二载体以及所述可分解材料；和

(e)用填充材料浸渍所述堆以形成包含压电纤维阵列的复合材料。

优选地，对于以上两种实施方案，第一和/或第二载体包含粘合剂材料和溶剂。优选地，通过粘滞塑性成形法(viscous plastic process)形成第一和/或第二条状物。优选地，所述堆在步骤(b)和(c)之间进行压延处理。优选地，所述堆中第二条状物的(最小)平均厚度小于5μm。优选地，压电材料包括掺杂和/或未掺杂的锆钛酸铅。优选地，压电材料和压电材料前体的总量为第一条状物的70～95重量％。优选地，可分解材料包含元素碳。优选地，可分解材料的量为第二条状物的30～60重量％。优选地，在加热步骤中：

(i)以足以除去所述第一和第二溶剂的温度和时间来加热堆；

(ii)然后以足以除去第一和第二粘合剂以及可分解材料的温度和时间加热所述堆；和然后

(iii)以足以烧结所述压电材料的温度和时间加热所述堆。

优选地，第一和/或第二溶剂优选包括环己酮和/或水，并且在此情况下，在30～100℃的温度下加热堆。优选地，第一和/或第二粘合剂包含聚乙烯醇缩丁醛和/或聚乙烯醇，并且在此情况下，在步骤(c2)中在650～800℃的温度下加热堆以除去可分解材料。优选地，在步骤(c2)中在250～800℃的温度下加热堆以除去第一和第二粘合剂。优选地，填充材料包括环氧树脂。优选地，所述方法还包括在复合材料上沉积一个或更多个电极，所述电极配置为能够产生穿过至少部分压电纤维阵列的电场。

本发明还提供一种压电纤维阵列，其中各压电纤维基本上互相平行取向并且两相邻纤维之间的平均最小间隔为5μm或更小。优选地，各压电纤维具有基本上为四边形的截面。优选地，所述阵列通过上述方法制造。优选地，该阵列用于激励器、传感器或换能器中。

本发明还提供一种堆，所述堆包括交替的：

(i)压电材料或压电材料前体和第一载体，和

(ii)可分解材料和第二载体

的条状物。

本文所用的“阵列”是指纤维的有序排列。在所述阵列的至少一部分中，每根单独的纤维不与另一根纤维接触或接合。

本文所用的“载体”是其中含有压电材料或可分解材料以形成可塑性变形材料的物质。它可以包括例如粘合剂和溶剂，和/或热塑性体系。优选地，它应当在加热(例如在800℃或以下)时被除去，留下(例如)压电材料。优选地，如果载体中包含的材料为微粒形式，则所述载体能够使材料保持假稳定的非聚集形式。这样，载体可以具有膏团状的稠度。

“粘合剂”优选为在与溶剂混合时形成载体的材料。

本文所用的“条状物”是指大致为长方体的形状。它最大尺寸为其长度，中间尺寸为其宽度，最小尺寸为其厚度。条状物优选在不受外来影响或力的情况下保持其形状并因此不发生明显变形。然而，当向所述条状物施加外力时，条状物优选能够变形。这样，条状物优选由膏团状材料形成。

本文所用的“填充材料”是适合用于浸渍本发明阵列的任何材料。其可以为例如热固性树脂，例如环氧树脂。这具有如下优点：液体树脂可以以其可延展(如液体)的形式浸入所述阵列；然后，在浸渍后树脂可以硬化。在某些情况下，也可以使用热塑性材料。

本发明方法通常提供基本上为四边形形状的单根压电纤维。该纤维可以为例如基本上矩形的形状，这取决于如何具体地切割堆。这相对于使用圆形纤维的现有技术方法可以是有利的，当将电极沉积在阵列上时，四边形形状使压电纤维和电极之间的接触更良好。这导致穿过纤维的电场的大小和均匀性增加以及刚性、能量密度和应变增加。

为了说明本发明方法和通过本发明方法产生的阵列相对于常规方法和阵列的优点，并且举例说明本发明的具体实施方案，在下文更加详细描述本发明的各个方面。尽管关于各个具体方法步骤单独描述具体的实施方案，但是每个实施方案也和任何其它的实施方案组合使用，除非另有说明。

第一条状物

第一条状物包含压电材料或压电材料前体和第一载体。

压电材料可以为锆钛酸铅(PZT)。这是具有通式结构Pb[Zr_xTi_1-x]O₃的陶瓷钙钛矿材料，其中0＜x＜1。它可以以本领域技术人员已知的任何形式来提供。这样，它可以以‘硬’或‘软’的形式提供。它还可以以掺杂或未掺杂的形式提供。如果掺杂的话，它可以掺杂有例如镧、钕、锑、钽、铌和钨(其导致软PZT)；铁、钴、锰、镁、铝、铟、铬、钪、钠和钾(其是受主掺质，导致硬PZT)；等价代替物，包括锶、钙、钡和锡；和多价添加剂，例如铬、铀和锰。

可以和本发明联合使用的其它压电材料包括其它铅基压电陶瓷如BaTiO₃、PbTiO₃、PbNb₂O₆、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃，和无铅压电陶瓷如碱性铌酸盐(KNbO₃、KNaNb₂O₆、LiNbO₃)和改性钛酸铋(SrBi₂Ti₂O₉、NaBiTi₄O₁₀)。还可以使用压电材料前体。例如，可以按比例混合铅、钛和锆的氧化物以在适当加热后形成压电锆钛酸铅。

通过将压电材料与第一载体混合制得第一条状物。这样，压电材料通常以粉末的形式提供。粉末中粒子的尺寸可以为0.05至10μm，更优选0.1至5μm，并且更优选0.5μm至1μm。这些值都是d50值。本发明人已经发现这种粒度分布是有益的，这是因为其使固体的堆积(固体装填)和混合物的粘度优化，导致复合材料的均一性、密度和电性能得以改进。

压电材料优选作为第一条状物总组合物的一部分以70重量％或更高的量来提供(即每100g条状物材料包含70g或更多的压电材料)。如果提供的量低于该量，则最终阵列中压电材料的密度过低而不能用于某些应用。更优选地，以80重量％或更高的量来提供压电材料。压电材料优选作为第一条状物总组合物的一部分以95重量％或更低的量来提供。如果提供的量高于该量，则第一条状物的可加工性趋向于降低，使得在后续加工步骤中更难于处理该组合物。这是因为第一条状物的该组合物变脆且更不像流体。更优选地，以90重量％或更低的量来提供压电材料。

与压电材料混合的第一载体可以包含粘合剂材料和溶剂。粘合剂材料优选在与溶剂以合适的浓度混合时产生粘性溶液。通常，粘合剂和溶剂以其1∶5～5∶1、更优选1∶3～3∶1的重量比进行混合。这通常导致载体具有合适的粘度。如果加入过多的粘合剂，则溶液变得过粘并且所得材料的可加工性过低。然而如果加入的粘合剂过少，则溶液变得太易于流动，并且所得材料的内聚性和可加工性都降低。

优选地，粘合剂材料包括聚乙烯醇(PVA)、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中的一种或更多种。优选这些粘合剂材料，原因是它们能全部烧除。此外，它们易于商业获得并且安全。

溶剂可以为使粘合剂材料溶解或悬浮的任何溶剂。溶剂可以是含水和/或有机的溶剂。PVA、甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素可以用于含水体系(用水作为溶剂)。使用PVB可以用环己酮和/或叔丁醇作溶剂。

第一载体体系还可以包含在暴露于UV辐射时能够反应(如聚合)的含环氧基团的物质和/前体，例如甲基丙烯酸甲酯。

还可以向载体和压电粉末的混合物中加入其它组分。例如，可以加入分散剂以帮助防止压电粒子在载体内聚集。分散剂的实例是硬脂酸(优选与PVB粘合剂组合使用)和聚丙烯酸铵(优选与PVA粘合剂组合使用)。为了使其有效地用作分散剂，可以以第一条状物组合物的0.01～1重量％的量来提供分散剂。还可以向组合物中加入增塑剂(Plasticer)以改进用于形成第一条状物的组合物的可加工性能。这种增塑剂的一个实例为邻苯二甲酸二正丁酯。为了使其有效地用作增塑剂，可以以第一条状物组合物的0.1～5重量％的量来提供增塑剂。

可以使用任何常规的混合方法将第一条状物的所有组分混合在一起。然而，第一条状物的所有组分优选利用粘滞塑性成形法混合在一起。在该方法中，将组分在高剪切条件下，例如通过双辊混炼技术进行混合。粘滞塑性成形法在以下文件中概述：

1)BR8505794(Composition comprising ceramic particles)；

2)BR8801931(Article of ceramic material and productionthereof)；和

3)High-strength ceramics through colloidal control to removedefects，Nature 1987，330，51-53。

例如，与在正常条件下将组分简单混合在一起并且产生常规带的方法相比，粘滞塑性成形法的优点在于其有助于防止单个颗粒聚集并且促进糊料体系宏观结构的均一性。这导致更高的生料和烧结状态下的密度和具有更均一性质的更均匀最终阵列。这比由常规条状物形成的结构有益，尤其是在大规模生产阵列中更是如此。

在混合过程后(无论其性质如何)产生了具有膏团状或糊状稠度的组合物。膏团或糊料在性质上优选基本为塑性的，使其在经受外部施加的应力时变形并且改变其形状，但是当去除应力时保持其新的形状。该膏团可以通过模具件挤出以形成条状物(或带)。

挤出后的条状物厚通常为500～1000μm。因此，为了在最终的阵列中形成更精细的特征，可以对条状物进行压延。这在环境温度(例如15～50℃)下以常规的方式来实施：使条状物穿过一对相反转动的辊，其中辊之间的间隙和其间施加的压力可以调节。为了使压延条状物的厚度均匀并防止条状物粘到压延机装备的辊上，可以在条状物的上表面和下表面上放置聚乙烯片。聚乙烯片的厚度通常为50～200μm，但是可以使用任何常规的聚乙烯片。

每个压延过程通常使条状物的厚度减半。经过几个压延循环，带的厚度通常减至20～200μm。

第二条状物

第二条状物包含可分解材料和第二载体材料。

第二条状物中的可分解材料也可以称为‘短效(fugitive)’材料。其在加热时可分解。它通常在低于800℃，更优选低于700℃，例如在低于600℃的温度下分解。在某些情形下，为了分解可能需要存在氧气，例如，其分压为0.005大气压或更高，更优选为0.05大气压或更高。在其它情形下，可以在无氧的情况下实施分解。

例如，可以用碳作为可分解材料。碳在氧气氛中一般加热到650℃或更高时分解成气态产物。

可用作可分解材料的其它材料为有机材料，例如淀粉。

理想的是，在第二条状物中以尽可能大的量提供可分解材料(例如，作为第二条状物总组合物的一部分，30重量％或更高，更优选35重量％)。这有助于在随后的‘烧尽’步骤中全部‘烧除’第二条状物。然而，可分解材料在实践中优选作为第二条状物总组合物的一部分以60重量％或更低的量来提供。如果是以高于该量的量提供，则第二条状物的可加工性趋向于降低，使得在随后的加工步骤中更难以处理所述组合物。这是因为第二条状物的组合物变脆且更不像流体。更优选地，以50重量％或更低的量提供可分解材料。

第二条状物的其它性能和加工特征与第一条状物相同并具有相同的原因。特别地，用于制备条状物的粘滞塑性成形法在与用于第一条状物的相同优选条件下实施。

这种类型的短效层比提供短效层的常规方法有利。例如，美国专利6183578将短效墨(fugitive ink)印在常规压电带上。与之相比，通过提供由例如粘滞塑性成形法制得的条状物形式的短效层，本发明允许对最终压电纤维阵列的尺寸进行精确控制。此外，本发明的短效层允许对条状物的堆进行压延(见下文)，其可以产生相邻纤维之间具有小而可控的间隔的压电纤维。

条状物的堆

一旦形成第一和第二条状物，将它们交替放置在彼此之上以形成堆。尽管可以改变这种布置(例如将两个第一条状物相邻放置)，但是优选至少一部分第一条状物通过至少一个第二条状物与相邻的第一条状物分开。这种布置示于图2中。在该图中，第一条状物显示为白色而第二条状物显示为灰色。两种层的厚度用T1和T2表示。应当注意，如果层的两个表面不平行，则将沿表面层的任意特定点处的厚度定义为该层的最小厚度。为获得该层的总平均(均值)厚度，在层的长度范围内对层厚进行平均。

典型地，总计50～500个第一和第二条状物堆叠在彼此之上。典型地，堆厚为1～4cm。本发明人已发现这些参数是由层合方法的约束条件设定的。

使用常规方式将条状物的堆层合在一起。例如，可使用商业层合机如OMNICROM CT1000(由Times Graphic Centres提供)。

一旦形成层合的条状物的堆，可以对其进一步压延以减小层的厚度。这以与压延单个条状物相同的方式实施。经过该压延之后，第二条状物的厚度可以减小至低于5μm，例如2μm或以下，并且有时低至0.5μm。因此，该技术允许生产相邻纤维之间具有小间隔的阵列。第二条状物的厚度可以小于100μm，例如小于50μm，并且有时低至5μm。

通过用常规的压制工具将两个或更多个堆压在一起可以增加层合的条状物的堆的厚度。本发明人已发现，优选压制条件为25～120℃、10～100MPa的初始压力和10～120分钟的保持时间。

加热、浸渍和切割

在形成和层压所述堆后，对堆进行加热、用填充材料浸渍并切割。该方法的一个实施方案示于图3中。该图示出在加热前可以如何切割堆。本发明人已发现这具有如下优点：由于在烧尽步骤中存在高的表面积，所以在该实施方案中迅速发生短效层的烧尽。这可以导致加热和烧结时间减少。

一个替代方案通过图4的流程图示出。在该实施方案中，对堆进行加热、用填料树脂浸渍并随后切割。与加热前切割堆相比，该实施方案具有两个优点。第一，可以选择填充材料的性质以提供良好的机械性能，由此便于切割坯体并有助于确保切割过程干净而平整。此外，因为压电纤维的许多阵列可以通过一个加热循环来产生，所以其允许对堆进行更为有效的加热和烧结。与此相反，如果在加热前将堆切成单个阵列，则每个阵列需要单独烧结。因此，替代方案是有利的，尤其对压电纤维阵列的大规模生产是有利的。

该替代方案对于4cm或更小厚度的堆是尤其优选的，其中本发明人已发现可分解产物的分解所产生的气态产物和载体材料可以在加热条件下足够快而有效地选出。

合适的填充材料包括环氧树脂。合适的环氧树脂的实例为CY1301/HY1300(Vantico Polymer Specialties Division，瑞士)，其中CY 1301作为基础树脂和HY1300作为硬化剂。

通常，加热步骤包括三个独立阶段：

(i)以足以除去所述第一和第二溶剂的温度和时间加热(切割或未切割的)堆；

(iii)以足以烧结压电材料的温度和时间加热所述堆。

上述3步加热过程允许烧结前高效且有效地去除可分解材料和粘合剂(即载体)。氧气氛可以促进某些组分的去除。

对于加热过程，可以用铂丝将所述堆挂在加热炉内。铂丝编织于穿过堆材料的小孔内。该加热方法允许在加热过程中在整个堆内形成均匀的应力分布。这还避免了在加热过程中将污染物带进层合结构中。

加热过程的第一步骤是除去溶剂。本发明所用溶剂通常为相对挥发性的，因此仅需要在30～100℃下(例如在约大气压下)加热所述堆以除去溶剂。确切的干燥过程将取决于堆中的层的尺寸、厚度和数目。例如，4cm或更大厚度的堆可能需要2天或更多天来充分干燥。而0.5cm或更小厚度的较薄堆可需要少于2天来充分干燥。如果加热前已切割堆，可能只需要6小时或更长的加热时间。可以在真空(例如在0.1大气压或更低，更优选0.01大气压或更低)下实施所述加热以便于去除溶剂。它还可以在惰性气氛中实施。

该加热过程的第二步骤是粘合剂的去除和可分解材料的分解。诸如碳的可分解材料通常在650～800℃的温度下分解。具体过程也取决于堆中层的尺寸、厚度和数目。例如，4cm厚或更厚的堆可需要多于24小时来使可分解材料完全分解。而0.5cm或更小厚度的较薄堆可需要少于24小时来使可分解材料分解。如果加热前已切割堆，则可只需要12小时或更少的加热时间。由于可分解材料经常需要存在氧来使材料分解，所以该步骤经常在含氧气氛中(例如氧分压为0.005大气压或更高，更优选氧分压为0.05大气压或更高)、例如在空气中实施。

诸如基于聚乙烯或聚乙烯骨架的聚合物的粘合剂一般在250～800℃的温度下去除。具体的加热过程也取决于堆中层的尺寸、厚度和数目。例如，4cm厚或更厚的堆可需要超过24小时来去除粘合剂。而0.5cm或更小厚度的较薄堆可需要少于24小时来去除粘合剂。如果加热前已切割堆，可以只需要12小时或更少的加热时间。根据所用粘合剂的类型和短效材料，可以在不存在氧(例如氧分压为0.005大气压或更低，更优选基本无氧的气氛)的情况下实施加热。所述加热还可以在惰性气氛(例如稀有气体，如氩气)中实施。

该加热过程的第三步为压电材料的烧结。这通常在高于1000℃、例如1200℃的温度下，在空气或氧气氛中进行。温度通常低于1400℃，其原因是烧结过程中在堆中可能出现不利反应。烧结所需时间与堆的尺寸相对无关，并且通常为20分钟至2小时。烧结步骤的确切条件(最高温度、停留时间和气氛)将取决于复合材料中所用压电材料的类型。可以使用文中所给出的值，例如，用于锆钛酸铅材料的值。对于某些材料，可以在不存在氧(例如氧分压为0.005大气压或更低，更优选基本无氧的气氛)的情况下进行烧结。所述加热还可以在惰性气氛(例如稀有气体，如氩气)中实施。

可以通过示差扫描量热法(DSC)来确定适合用于去除粘合剂、用于分解可分解材料和用于烧结的确切温度。

烧结过程还可以导致压电材料的致密化。这将被本领域技术人员所理解。

烧结之后，使堆(切割或未切割的)冷却，然后，通常在真空下用填充材料浸渍所述堆。这通过将树脂和硬化剂彻底混合来实施。对于环氧树脂CY1301/HY1300混合物的具体实例，使用100∶30的重量比。混合物对堆的浸渍在真空条件(即优选0.1大气压或更低，更优选0.01大气压或更低)下实施。

如以上文解释的，可以在加热前或加热后切割所述堆。在任一种情况下，都使用精密切削工具例如Accutom-50(Struers)对堆进行切割。

任选地，如果必要的话，可以重叠复合材料的条状物以进一步减小和/或控制厚度。

添加电极

最后，一旦已形成含压电纤维阵列的复合材料，可以向该阵列添加电极。优选地，这些电极为叉指状电极。

为制备叉指状电极，通常将电极图案印刷到聚合物膜上。本发明人已发现，可使用丝网印刷技术在聚酰亚胺薄膜上生产所需的IDE图案(例如银环氧树脂)。特别地，本发明人发现，对于在聚酰亚胺薄膜上制备表面质量和电导性更佳的叉指状电极(例如铜)，印刷电路板(PCB)技术是优选的。

本领域技术人员将理解，许多其它材料例如金可用作电极材料。

产品

本发明还涉及通过本发明方法生产的特定产品。特别地，本发明涉及由本发明方法制得的产品。这些包括第一和第二条状物的层合堆。上文描述了这些第一和第二条状物的优选特征。

本发明还涉及压电纤维阵列，其中单根压电纤维基本互相平行取向并且两根相邻纤维之间的平均最小间隔为5μm或更小。优选地，单根压电纤维具有基本为四边形的截面。该阵列可以通过本发明的方法制造。

本发明还涉及包含本发明阵列的激励器。该激励器可以用于例如自适应变形镜(adaptable mirror)和透镜以及振动和噪音控制及能量收集中。

实施例

通过粘塑加工由下面的组合物制得压电膏团：1000克PZT，55克PVB，45克环己酮，25克邻苯二甲酸二正丁酯和1克硬脂酸。

通过粘塑加工由下面的组合物制得短效膏团：300克碳，100克PVB，130克环己酮，60克邻苯二甲酸二正丁酯和1克硬脂酸。

然后将VPP组合物单独放进桶中并通过模具件挤出以形成条状物。然后将条状物放进分开的聚乙烯袋内并(分别)压延直至获得所需的厚度。每次压延后更换聚乙烯袋。聚乙烯厚度为0.11mm。

预计还可以将两种组合物共挤出以产生层状结构。

PZT和碳堆的形成通过层压和压延来实现。通过将顶侧和底侧用聚乙烯保护的PZT和碳的两个新鲜层(剥离聚乙烯之后)接合实现了多层的构建。使用商业层合机(OMNICROM CT1000(Times GraphicCentres))进行层压，温度设为1.5。然后压制层压材料。在该情形中，在80℃和50～60MPa下将层压材料压制60分钟。

然后干燥层压的堆。已发现干燥过程取决于层压材料的层的尺寸、厚度和数目。对于0.5cm厚度或更小厚度的薄堆，在40和80℃下分别花费约24小时。对于总厚度为4cm的生层压材料，在80℃下花费3～4天。发现在层压材料的本体部分(纯PZT部分)中钻几个孔有助于干燥应力的释放，所述孔还用于在后续烧结过程中用于铂丝悬挂的目的。对于较厚的生坯，在坯体上放置少量负载来帮助维持其形状。

然后烧结生层压材料。在层压材料中钻直径为约1～2mm的孔。使用铂丝将层压材料悬挂在加热炉内的氧化铝棒上。实施如下加热/烧结方案：

(i)对于厚层压材料：1℃/分钟至325℃，保持12小时；1℃/分钟至600℃，保持15小时；5℃/分钟至1200℃，保持2小时；5℃/分钟至40℃。

(ii)对于薄片：1℃/分钟至325℃，保持4小时；1℃/分钟至600℃，保持8小时；5℃/分钟至1200℃，保持1小时；5℃/分钟至40℃。

然后用环氧树脂回填该层压材料、切割并在两个表面上都装配IDE电极。

图5A中示出在烧结前形成为中间体的堆(生坯)的实例。使用该方法制得的复合材料的实例示于图5B～C中。接上一组电极的复合材料的实例示于图6A～C中。由复合材料(连接到0.25mm的铜片)造成的位移示于图7中。

Claims

1.一种生产包含压电纤维阵列的复合材料的方法，所述方法包括：

(a)提供：

(a2)多个包含可分解材料和第二载体的第二条状物；

(c)一个或更多个加热步骤，包括加热所述堆以除去所述第一和第二载体及所述可分解材料；

(e)切割所述堆以形成包含压电纤维阵列的复合材料。

2.一种生产包含压电纤维阵列的复合材料的方法，所述方法包括：

(a)提供：

(a2)多个包含可分解材料和第二载体的第二条状物；

(c)切割所述堆以形成压电纤维阵列；

(d)一个或更多个加热步骤，包括加热所述阵列以除去所述第一和第二载体及所述可分解材料；和

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一和/或第二载体包含粘合剂材料和溶剂。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一和/或第二条状物通过粘滞塑性成形法形成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(b)和(c)之间压延所述堆。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述堆中的所述第二条状物的平均厚度小于5μm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述压电材料包括掺杂和/或未掺杂的锆钛酸铅。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述压电材料和压电材料前体的总量为所述第一条状物的70～95重量％。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述可分解材料包含元素碳。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述可分解材料的量为所述第二条状物的30～60重量％。

11.根据权利要求3所述的方法，其中在所述加热步骤中：

(i)以足以除去所述第一和第二溶剂的温度和时间来加热所述堆；

(iii)以足以烧结所述压电材料的温度和时间加热所述堆。

12.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一和/或第二溶剂包括环己酮和/或水。

13.根据权利要求11和12所述的方法，其中在30～100℃的温度下加热所述堆。

14.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一和/或第二粘合剂包括聚乙烯醇缩丁醛和/或聚乙烯醇。

15.根据权利要求11和14所述的方法，其中在步骤(c2)中在650～800℃的温度下加热所述堆以除去所述可分解材料。

16.根据权利要求9和15所述的方法，其中在步骤(c2)中在250～800℃的温度下加热所述堆以除去所述第一和第二粘合剂。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充材料包括环氧树脂。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括将一个或更多个电极沉积到所述复合材料上，所述电极配置为能够产生穿过至少部分压电纤维阵列的电场。

19.一种压电纤维阵列，其中各压电纤维基本上相互平行取向并且两根相邻纤维之间的平均最小间隔为5μm或更小。

20.权利要求19所述的阵列，其中所述各压电纤维具有基本上为四边形的截面。

21.权利要求19或权利要求20所述的阵列，其中所述阵列通过权利要求1～18中任一项所述的方法制造。

22.一种激励器，其包含权利要求19～21中任一项所述的阵列。

23.一种堆，其包含交替的：

(i)压电材料或压电材料前体和第一载体，和

(ii)可分解材料和第二载体

的条状物。