CN102437282B - 一种压电陶瓷纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种1-1型压电陶瓷纤维复合材料，该复合材料由压电陶瓷薄片和高分子材料聚合物相间叠层切割而成，同时提供一种用于制备该种1-1型压电陶瓷纤维复合材料的方法，该方法步骤为：利用陶瓷粉体流延成型法烧结得到压电陶瓷片；将一定数量的压电陶瓷片垂直平行排列，并在各压电陶瓷片之间插入PE薄膜形成压电陶瓷叠堆；将环氧树脂浇注液注入压电陶瓷叠堆的间隙，最后加压升温脱模得到2-2型压电陶瓷复合叠层，再裁剪制备成所需尺寸的1-1型压电陶瓷纤维复合材料。本发明方法得到的1-1型压电纤维复合材料经叉指电极极化后可以作为驱动器应用于结构控制、振动抑制和结构健康监测等领域，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷纤维复合材料，同时涉及一种压电陶瓷纤维复合材料的制备方法，尤其涉及一种由压电陶瓷材料和高分子材料组成的压电陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术
智能结构是相对于传统的被动结构提出来的，它是以智能材料作为传感元件和驱动元件，在功能上能感识外界和内部状态与性能的变化，并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识，进而采取相应的最优或者近优控制律以作出合理的响应的一类结构。目前，智能结构驱动部分采用最多的是压电陶瓷，随着研究和应用的进行，发现压电陶瓷材料存在许多缺陷。例如：容易出现脆性断裂，在处理和焊接时应特别小心，无法应用于应变较大的场合。在长期使用过程中，陶瓷内部会出现微小裂纹，可靠性差，且很难粘贴在表面弯曲的结构上。
二十世纪七十年代出现压电复合材料弥补了上述不足，压电复合材料是指由两相或多相材料复合而成的压电材料。压电陶瓷-聚合物复合材料是其中研究得最广泛的一种，它不仅具有压电陶瓷良好的压电性能，还具有聚合物的柔韧性及低声阻抗等优点，在水听器、生物医学成像、无损检测等诸多方面被广泛的用作换能器。按照两相材料的不同连通方式，压电复合材料分为十种基本类型，后来又发展了更多的类型。通常第一个字代表压电陶瓷的连通维数，第二个数字代表聚合物的连通维数，习惯上把对功能效应起主要作用的相的维数放在前面，而把基体的维数放在后面，即0-3，1-3，2-2，2-3和3-3型等等。
由于传统的压电陶瓷存在机械品质因数Qm高、压电电压常数g33、径向共振强，厚度共振弱 (kt< kp)及声阻抗大等缺陷，不适合医疗超声和无损检测换能器宽带、窄脉冲、高灵敏度和高分辨率的要求。人们尝试用压电聚合物代替压电陶瓷，比如压电高聚物聚偏二氟乙烯(PVDF)。压电聚合物虽然声阻抗低，易与轻负载匹配，但压电应变常数d33太低。含有陶瓷相和聚合物相的压电复合材料克服了单相压电材料的缺点，保留了陶瓷材料的高压电性，具有较低的声阻抗和较低的机械品质因数，适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲换能器，可用于声纳装置和医学诊断换能器。
1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中而形成的两相复合压电材料。根据排列方式的不同可分为矩形压电柱复合材料、圆柱形压电柱复合材料、电极压电纤维复合材料和交叉指型压电纤维复合材料。
美国麻省理工学院(MIT)自控制材料结构研究实验室最早研制了主动压电纤维复合材料(AFC)，它是横截面为圆形的压电纤维横向排列在聚合物基体中的一种复合材料。AFC驱动器也是第一个使用指形交叉电极(IDE)的驱动器，IDE所产生的电场平行于压电纤维轴的方向，可以激发较大的伸缩应变，较高的压电应变常数d33。虽然与传统陶瓷相比AFC具有很多优点，但是由于圆形纤维与电极的接触面积很小，导致电场损耗较大，效率较低。美国NASA LaRC于2001年研制了最新的粗压电纤维复合材料(MFC)，它不仅具有AFC的全部卓越性能，同时又克服了AFC的不足，是目前最理想的智能材料。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种1-1型压电陶瓷纤维复合材料，该复合材料由压电陶瓷薄片和高分子材料聚合物相间叠层切割而成，同时提供一种用于制备该种1-1型压电陶瓷纤维复合材料的方法，该方法通过先制备得到2-2型压电陶瓷纤维复合叠层，然后再处理得到1-1型压电陶瓷纤维复合材料。
技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的一种压电陶瓷纤维复合材料，包括一组并列的压电陶瓷片，相邻的压电陶瓷片之间设有高分子材料聚合物层，并且压电陶瓷片形状与高分子材料聚合层形状相同，所述的高分子材料可选用丙酮、聚酰胺和环氧树脂的混合材料。
本发明的压电陶瓷纤维复合材料的制备方法，利用传统的固相法合成压电陶瓷粉体，将粉体配制成浆料，然后利用流延成型法制备压电陶瓷坯片，烧结后得到压电陶瓷薄片。采用排列-浇注法使其成为一个压电陶瓷薄片和环氧树脂相间排列的叠层结构，经切割制得MFC压电纤维复合材料。具体包括下列步骤：
步骤一：根据待制备的压电陶瓷纤维复合材料的压电陶瓷分子式中各元素的摩尔比制备陶瓷粉体，然后将陶瓷粉体配成流延浆料，通过流延成型法制备出厚度为50~300μm的流延膜，按所需尺寸裁下并叠层压制成型，经过烧结得到压电陶瓷片；本步骤为流延法制备压电陶瓷片的步骤，得到的压电陶瓷片用于后续的制备步骤，也可以采用传统压电陶瓷制备工艺，将压电陶瓷粉体经压制成型后烧结，然后切割成需要的形状，为便于后续步骤，压电陶瓷片为长方形或正方形；
步骤二：根据待制备的压电陶瓷纤维复合材料中压电陶瓷片的数量，将所需的步骤一所得的压电陶瓷片彼此平行排列地放置，并用固定装置如夹具固定住各压电陶瓷片，使各压电陶瓷片保持垂直平行排列；
步骤三：将厚度为50~200μm的PE薄膜依次插入步骤二各压电陶瓷片的间隙中，使各压电陶瓷片彼此隔开，并对压电陶瓷片和PE薄膜施加外界压力，使压电陶瓷片和PE薄膜之间保持紧密接触，形成压电陶瓷-PE薄膜叠堆；PE薄膜的形状与压电陶瓷片的形状相同，也可以先将PE薄膜裁剪成长条状，且底部裁成尖角状，然后将PE薄膜依次插入压电陶瓷片的间隙中；所述的PE薄膜起到控制陶瓷片之间的间距的作用，其厚度即为陶瓷片间距，将其底部裁成尖角可减少薄膜与容器底部胶体的接触面积，为后续步骤的脱模提供方便，PE薄膜可选用聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜等；
步骤四：称取环氧树脂和聚酰胺，并将两者混合搅拌均匀得到浅黄色胶体；环氧树脂可选用E-51型，聚酰胺可选用PA65型。
步骤五：将步骤四制备得到的胶体均匀地涂抹在一容器的底部形成胶体层，所述的容器一般采用一次性容器，然后将步骤三所得的压电陶瓷-PE薄膜叠堆连同夹具放置在容器中胶体层上；
步骤六：将步骤五的容器放入烘箱中，在70~100℃下固化15~30min后，将各压电陶瓷片之间的PE薄膜抽出，再将容器放入烘箱中，在70~100℃下固化20~40min，得到压电陶瓷片间隔排列的阵列结构；
步骤七：称取环氧树脂、聚酰胺和丙酮，将丙酮倒入聚酰胺中搅拌均匀得到丙酮-聚酰胺混合物，再将丙酮-聚酰胺混合物倒入环氧树脂中共同搅拌至均匀得到环氧树脂浇注液；
步骤八：将步骤七所得的环氧树脂浇注液注入步骤六具有压电陶瓷片间隔排列阵列结构的容器中，相对压力为－0.060~－0.070MPa时保压30~50min，再在相对压力为－0.080~－0.090MPa时保压30~50min，随后升温至50℃保温1~2h，再升温至60℃保温1~2h，最后脱模得到2-2型压电陶瓷复合叠层；
步骤九：将2-2型压电陶瓷复合叠层切割成所需厚度的1-1型压电陶瓷纤维复合材料，经过裁剪制备成所需尺寸的1-1型MFC压电陶瓷纤维复合材料。
上述步骤中，步骤一至步骤八为制备得到2-2型压电陶瓷复合叠层，最后再对得到的2-2型压电陶瓷复合叠层进行切割得到1-1型MFC压电陶瓷纤维复合材料。
上述的制备方法中，步骤一至步骤八实际上亦可作为独立的制备方法，用于制备得到2-2型压电陶瓷纤维复合材料。
本发明的方法可用于制备各种铅基压电陶瓷、无铅压电陶瓷纤维复合材料。
有益效果
本发明方法得到的1-1型压电纤维复合材料经叉指电极极化后可以作为驱动器应用于结构控制、振动抑制和结构健康监测等领域，具有广泛的应用前景；本发明的1-1型压电陶瓷纤维复合材料的制备方法利用成熟高效的流延成型法和浇注法，并利用金刚石切割机切割成1-1型压电陶瓷纤维复合材料，此工艺过程简单，易于控制，可重复性好，成本低，效率高，易于批量生产。
具体实施方式
实施例一：
本实施例为利用PNN-PZT压电陶瓷材料与环氧树脂E-51制备1-1型压电纤维复合材料的方法，包括下列步骤：
步骤一：根据待制备的压电陶瓷纤维复合材料的压电陶瓷分子式中各元素的摩尔比制备得到压电陶瓷粉体，然后将压电陶瓷粉体配成流延浆料，通过流延成型法制备出厚度为300μm的流延厚膜，之后用裁纸刀裁下所需尺寸的陶瓷片，经过烧结制备出尺寸为45×10×0.35mm的方形陶瓷片；
步骤二：选择67个烧结好的陶瓷片，将其四个边对齐排列放置好，用方形物体作为夹具固定在其两边，使各陶瓷片保持垂直排列；
步骤三：将100μm厚的PE薄膜裁剪成长条状，且底部裁成尖角，然后将PE薄膜依次插入步骤二中各陶瓷片的间隙中，并用适当的压力将陶瓷片和PE薄膜保持紧密，形成陶瓷-PE叠堆；
步骤四：用电子称分别称取10g环氧树脂E-51和8g聚酰胺PA650，将两者混合搅拌均匀，配成浅黄色胶体；
步骤五：选择一个方形的底部平整的一次性塑料容器，其尺寸为57×57×45mm，在容器的底部均匀地涂抹一层步骤四配制的浅黄色胶体，然后将步骤三制备的陶瓷-PE叠堆缓慢移动到一次性塑料容器中的胶体上，叠堆两端始终处于夹紧的状态，随后将容器放入烘箱中，在85℃下固化25min后，迅速将陶瓷片之间的PE薄膜抽出，再将容器放入烘箱中，在100℃下固化30min，最终形成陶瓷片间隔排列的阵列结构，陶瓷的间距大约为100μm即PE薄膜的厚度；
步骤六：用电子称分别称取50g环氧树脂E-51、25g聚酰胺PA650和10g丙酮，随后将丙酮倒入聚酰胺中搅拌均匀，再将丙酮-聚酰胺混合物倒入环氧树脂中共同搅拌至均匀，制备成环氧树脂浇注液，然后将浇注液注入容器中，在真空箱中抽真空，相对压力为－0.070MPa时保压30min，在相对压力为－0.085MPa时保压30min，随后升温至50℃保温2h，再升温至60℃保温2h，最后脱模制备出2-2型压电陶瓷复合叠层；
步骤七：用金刚石切割机将2-2型压电陶瓷复合叠层切割成所需厚度的1-1型压电陶瓷纤维复合材料，经过裁剪制备成尺寸为45×30×0.3mm的1-1型压电陶瓷纤维复合材料。
实施例二：
本实施例为利用PZT5H压电陶瓷纤维与环氧树脂E-51制备1-1型压电纤维复合材料的方法，步骤如下：
步骤一：选择67个尺寸为45×13.5×0.3mm的PZT5H方形陶瓷片，将其四个边对齐排列放置好，用方形物体作为夹具固定在其两边，使各陶瓷片保持垂直排列；
步骤三：将厚度为110μm 的PE薄膜裁剪成长条状，且底部裁成尖角，然后将PE薄膜依次插入陶瓷片的间隙中，并用适当的压力将陶瓷片和PE薄膜保持紧密，形成陶瓷-PE叠堆；
步骤四：用电子称分别称取10g环氧树脂E-51和8g聚酰胺PA650，将两者混合搅拌均匀，配成浅黄色胶体；
步骤五：选择一个方形的底部平整的一次性塑料容器，尺寸为57×57×45mm，在容器的底部均匀地涂抹一层步骤四配制的胶体，然后将步骤三制备的陶瓷-PE叠堆缓慢移动到容器中的胶体上，叠堆两端始终用物体夹紧，随后将容器放入烘箱中，在85℃下固化25min后，迅速将陶瓷片之间的PE薄膜抽出，再将容器放入烘箱中，在100℃下固化30min，最终形成陶瓷片间隔排列的阵列结构，陶瓷的间距大约为110μm；
步骤六：用电子称分别称取50g环氧树脂E-51、25g聚酰胺PA650和10g丙酮，随后将丙酮倒入聚酰胺中搅拌均匀，再将丙酮-聚酰胺混合物倒入环氧树脂中共同搅拌至均匀，制备成环氧树脂浇注液，然后将浇注液注入容器中，相对压力为－0.060MPa时保压40min，在相对压力为－0.090MPa时保压40min，随后升温至50℃保温2h，再升温至60℃保温2h，最后脱模制备出2-2型压电陶瓷复合叠层；
步骤七：用金刚石切割机将2-2型压电陶瓷复合叠层切割成所需厚度的1-1型压电陶瓷纤维复合材料，经过裁剪制备成尺寸为45×30×0.35mm的1-1型压电陶瓷纤维复合材料。
实施例三：
本实施例为一种压电陶瓷纤维复合材料，包括50片并列的正方形压电陶瓷片，各压电陶瓷片之间的间距为100μm，相邻的压电陶瓷片之间设有高分子材料聚合物层，并且压电陶瓷片形状与高分子材料聚合层形状相同，其中高分子材料聚合物层为环氧树脂和聚酰胺的固态混合物。
Claims (4)
1.一种制备压电陶瓷纤维复合材料的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：根据待制备的压电陶瓷纤维复合材料的压电陶瓷分子式中各元素的摩尔比制备陶瓷粉体，然后将陶瓷粉体配成流延浆料，通过流延成型法制备出厚度为50~300μm的流延膜，按所需尺寸裁下并叠层压制成型，经过烧结得到压电陶瓷片；
步骤二：根据待制备的压电陶瓷纤维复合材料中压电陶瓷片的数量，将所需的步骤一所得的压电陶瓷片排列放置，并用夹具固定各压电陶瓷片，使各压电陶瓷片保持垂直平行排列；
步骤三：将厚度为50~200μm的PE薄膜依次插入步骤二各压电陶瓷片的间隙中，并对压电陶瓷片和PE薄膜施加压力，使压电陶瓷片和PE薄膜之间保持紧密，形成压电陶瓷-PE薄膜叠堆；
步骤四：称取环氧树脂和聚酰胺，并将两者混合搅拌均匀得到胶体；
步骤五：将步骤四制备得到的胶体均匀地涂抹在容器的底部形成胶体层，然后将步骤三所得的压电陶瓷-PE薄膜叠堆连同夹具放置在容器中胶体层上；
步骤六：将步骤五的容器放入烘箱中，在70~100℃下固化15~30min后，将各压电陶瓷片之间的PE薄膜抽出，再将容器放入烘箱中，在70~100℃下固化20~40min，得到压电陶瓷片间隔排列的阵列结构；
步骤七：称取环氧树脂、聚酰胺和丙酮，将丙酮倒入聚酰胺中搅拌均匀得到丙酮-聚酰胺混合物，再将丙酮-聚酰胺混合物倒入环氧树脂中共同搅拌至均匀得到环氧树脂浇注液；
步骤八：将步骤七所得的环氧树脂浇注液注入步骤六具有压电陶瓷片间隔排列阵列结构的容器中，相对压力为－0.060~－0.070MPa时保压30~50min，再在相对压力为－0.080~－0.090MPa时保压30~50min，随后升温至50℃保温1~2h，再升温至60℃保温1~2h，最后脱模得到2-2型压电陶瓷复合叠层；
步骤九：将2-2型压电陶瓷复合叠层切割成所需厚度的1-1型压电陶瓷纤维复合材料，经过裁剪制备成所需尺寸的1-1型压电陶瓷纤维复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中压电陶瓷片为长方形或正方形。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中PE薄膜的形状与压电陶瓷片的形状相同。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，先将PE薄膜裁剪成底部呈尖角的长条状，再将PE薄膜依次插入压电陶瓷片的间隙中。
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