CN103241989A

CN103241989A - 压电复合材料的制法及压电发电装置

Info

Publication number: CN103241989A
Application number: CN2012100238627A
Authority: CN
Inventors: 庄武松; 魏志漳; 谢慧霖; 余承圣
Original assignee: BATACERA Inc
Current assignee: BATACERA Inc
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明有关一种压电复合材料的制法，该制法包括以下步骤：混合压电陶瓷粉末、粘结剂、交联剂、润滑剂及增塑剂，以形成浆料；对浆料进行挤压成型步骤，以形成压电陶瓷纤维生胚；对压电陶瓷纤维生胚进行烧结步骤，以形成压电陶瓷纤维；依照预定的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及将粘着剂灌入模具中，以形成压电复合材料。该制法能够顺利挤压成型压电陶瓷纤维，且挤出的压电陶瓷纤维的可塑性良好。本发明还有关一种包含使用上述压电复合材料制成的压电发电组件的压电发电装置，该压电发电组件具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的优点。

Description

压电复合材料的制法及压电发电装置

技术领域

本发明与压电复合材料有关，特别有关压电复合材料的制法。

背景技术

传统压电材料多为块材型式，其质地坚硬易碎，机电转换输出受到限制，而局限了压电材料的发展运用。压电复合材料则兼具压电陶瓷优异的压电特性与聚合物的柔软性，可大幅提升其压电性与机械性能，进一步拓展压电材料的运用领域。

有关压电复合材料的制造，常见的方法有激光切割-填充法、注射成型法、脱模法及排列浇注法等。激光切割-填充法使用激光在压电陶瓷块上切割出多道横向沟槽，接着再次使用激光在压电陶瓷块上切割出多道与横向沟槽交叉的纵向沟槽以形成多个压电陶瓷柱，然后在沟槽中填入聚合物以形成压电复合材料。相较于传统使用金刚石割刀的切割-填充法，该方法具有高精度、无接触及易操作等优点。然而，缺点是设备成本高，以及激光的热效应易导致陶瓷材料破裂而影响材料的结构与性能。

注射成型法使用具有多个管状出料口的注射器在压电陶瓷板上形成压电陶瓷柱阵列，之后进行烧结，接着在阵列中填入聚合物以形成压电复合材料。该方法具有压电陶瓷柱的尺寸、分布及体积含量可灵活控制等优点。然而，缺点是注射器的构造复杂以及压电陶瓷柱的长度会受到限制。

脱模法使用具有多个柱状孔穴的模具，在压电陶瓷板上，脱模形成压电陶瓷柱阵列，之后进行烧结，接着在阵列中填入聚合物以形成压电复合材料。该方的优点是模具的制作较简单且价格低廉。然而，缺点是当压电陶瓷柱的直径小于100微米时，烧结时的热应力易使压电陶瓷柱阵列发生塌陷。

排列浇注法先制造压电陶瓷纤维，接着依照预定的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及将粘着剂例如环氧树脂灌入模具中，固化后脱模以形成1-3型压电复合材料。排列浇注法的制法简单、纤维体积含量易于控制，气孔率低，适用于高性能传感器、驱动器等装置。

目前在压电陶瓷纤维的制造上，例如溶胶-凝胶(sol-gel)法、胶状悬浮液纺丝法(VSSP)及挤压成型法是常见的方法。其中，挤压成型法将压电陶瓷粉末与粘结剂及交联剂水溶液均匀混合，以形成聚合物胶体。接着，将聚合物胶体借由挤型机挤压成型以形成陶瓷纤维生胚。然后，进行干燥及烧结步骤，即形成压电陶瓷纤维。虽然该方法制法简单、成本低廉且不会造成环境污染，但是仍有挤压困难、纤维的可塑性不佳等缺点。

另外，1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷纤维相，平行排列于三维连通的聚合物基体相中而形成的两相压电复合材料。增加压电发电组件的尺寸，可提高发电量。市场上对于具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的压电发电组件仍有需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压电复合材料的制法，该制法能够顺利挤压成型压电陶瓷纤维，且挤出的压电陶瓷纤维的可塑性良好；另外，本发明的制法制成的压电复合材料用于制造压电发电组件时，具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的优点。

有鉴于此，本发明的另一目的在于提供一种压电发电装置，该装置包含使用上述压电复合材料制成的压电发电组件。

为达到上述目的，本发明提供一种压电复合材料的制法，该制法包括以下步骤：混合压电陶瓷粉末、粘结剂、交联剂、润滑剂及增塑剂，以形成浆料；对浆料进行挤压成型步骤，以形成压电陶瓷纤维生胚；对压电陶瓷纤维生胚进行烧结步骤，以形成压电陶瓷纤维；依照预定的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及将粘着剂灌入模具中，以形成压电复合材料。

进一步地，所述步骤(a)中的所述润滑剂为丙三醇或二丙二醇，该润滑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述增塑剂选自由聚乙烯乙二醇、1，3丁二醇、1，4丁二醇及苯醇所组成的族群，该增塑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末具有化学式ABO₃，化学式ABO₃中，A为铅、钡、镧(lanthanum)、锶(strontium)、钾或锂，B为钛、锆(zirconium)、锰、钴、铌(niobium)、铁、锌、镁、钇(yttrium)、锡、镍或钨，该压电陶瓷粉末的重量百分比介于70～95wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末的尺寸介于0.1～1.0微米。

进一步地，所述步骤(a)中的所述粘结剂为甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素，该粘结剂的重量百分比介于3.5～20wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述交联剂为含硼酸、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐或铝酸盐的水溶液，该交联剂为浓度介于0.005～0.05M的水溶液。

进一步地，所述步骤(a)中的所述交联剂的重量百分比介于0.5～5wt％。

进一步地，所述步骤(b)中的挤压压力介于1～50kg/cm²。

进一步地，所述步骤(b)中的所述压电陶瓷纤维生胚的直径介于75～1,000微米。

进一步地，所述步骤(c)中的所述烧结温度介于1,000～1,300℃。

进一步地，该制法还包括在所述步骤(c)前进行干燥步骤，该干燥步骤的温度介于80～120℃。

进一步地，所述步骤(d)中的体积含量为35％～85％。

进一步地，所述步骤(e)中的所述粘着剂为环氧树脂或硅酮树脂。

为达到上述目的，本发明提供一种压电发电装置，该装置包含：支撑台；金属板，具有彼此相反的第一表面及第二表面，金属板的一端固定在支撑台上；及至少一个压电发电组件，邻接于金属板的第一表面和/或第二表面上，压电发电组件使用上述压电复合材料制成。

进一步地，所述两个压电发电组件分别邻接于所述金属板的第一表面及第二表面上。

进一步地，该装置还包括质量块，该质量块放置在所述金属板的另一端。

进一步地，该装置还包括两个质量块，分别放置在所述金属板的另一端的第一表面及第二表面上。

进一步地，所述压电发电组件为板状，长度为3～10厘米。

进一步地，所述压电发电组件的厚度为30微米～3毫米。

相较于现有技术，本发明的制法主要利用添加润滑剂及增塑剂，可顺利挤压成型，且挤出的纤维的可塑性良好，及借由调整压电复合材料中两相的配比，制成具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的压电发电组件以供压电发电装置使用。本发明的制法简单、成本低廉且不会造成环境污染的优点，可应用于薄长型压电发电组件的制作。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中压电复合材料的制法的流程示意图；

图2为本发明的第一实施例的压电发电装置的示意图；

图3为本发明的第二实施例的压电发电装置的示意图；

图4为本发明的第三实施例的压电发电装置的示意图；

图5为本发明的第四实施例的压电发电装置的示意图。

附图标记说明

100～114步骤

20压电发电装置 22支撑台

24金属板 24a金属板的一端

24b金属板的另一端 26压电发电组件

28压电发电组件 30质量块

32质量块 241第一表面

242第二表面

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，将配合附图说明如下，然而所附附图仅作为说明用途，并非用于局限本发明。

请参照图1，图1为本发明的较佳实施例中压电复合材料的制法的流程示意图。本实施例采用挤压成型法制造压电陶瓷纤维以及排列浇注法制造压电复合材料。首先，请参考图1中的步骤100，使用混拌机均匀混合重量百分比为70wt％-95wt％的压电陶瓷粉末、3.5～20wt％的粘结剂、0.5～5wt％的交联剂水溶液、0.5～2.5wt％的润滑剂与0.5～2.5wt％的增塑剂，以形成浆料。

压电陶瓷粉末可具有化学式ABO₃。化学式ABO₃中，A可为铅、钡、镧(lanthanum)、锶(strontium)、钾或锂，B可为钛、锆(zirconium)、锰、钴、铌(niobium)、铁、锌、镁、钇(yttrium)、锡、镍或钨。适用于本实施例的压电陶瓷粉末的尺寸可介于0.1～1.0微米，其重量百分比可介于70～95wt％。

合适的粘结剂可为甲基纤维素诸如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素；聚乙烯醇诸如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇；或聚丙烯酸酯。粘结剂的重量百分比可介于3.5～20wt％。

交联剂可为含硼酸、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐或铝酸盐的水溶液。硼酸盐可包括硼酸钠或硼酸钾。磷酸盐可包括磷酸钠、磷酸钾或磷酸锰。硅酸盐可包括硅酸钠、硅酸钾或硅酸铝。铝酸盐可包括铝酸钠或铝酸钾。交联剂可为浓度介于0.005～0.05M的水溶液，其重量百分比介于0.5～5wt％。当交联剂溶于水中时产生带电荷的碱性氢氧化物可与粘结剂形成立体网状交联作用，同时将陶瓷粉末束覆在其中，在自发性的脱水反应后形成紧密的立体网状复合结构。

适当的润滑剂可为丙三醇或二丙二醇，其重量百分比可介于0.5～2.5wt％。适量的润滑剂可促进挤型，避免浆料沾粘于后续步骤所使用挤出机的内壁及孔洞。

增塑剂可选自由聚乙烯乙二醇、1，3丁二醇、1，4丁二醇及苯醇所组成的族群。增塑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。适量的增塑剂可改善挤出的纤维的可塑性，以达到所需规格。

接着，步骤102利用三滚筒机将浆料中所含的粉末滚压成细微粉末。接着步骤104利用挤出机进行挤压成型，以形成所需规格的压电陶瓷纤维生胚。挤压成型的挤压压力可介于1～50kg/cm²。压电陶瓷纤维生胚的直径可介于75～1,000微米。

接着，步骤106将纤维生胚经由烘干炉，于温度80～120℃进行干燥处理，去除纤维生胚内所含的水分。

接着，步骤108在干燥后的纤维生胚表面上涂敷锆粉，增加表面耐磨度，并将其放置于氧化铝基板上再放入坩锅中。

接着，步骤110将放置于坩锅中的纤维生胚经由烧结炉，于温度1,000～1,300℃烧结2～3小时，烧结后成为压电陶瓷纤维。

经测定，压电陶瓷纤维直径约为250微米、长度为70～100毫米、真圆度误差为0.07+0.001微米/1毫米、真直度误差为0.25微米/100毫米、烧结密度大于99％、压电应变常数d₃₃大于600pC/N。

接着，步骤112依照35％～85％的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中。压电复合材料中所含的压电陶瓷纤维的体积含量愈高，压电应变常数d₃₃愈大。而且，压电陶瓷纤维在压电复合材料中周期性排列与非周期性排列也会影响压电组件的厚度共振模式，非周期性排列单纯影响厚度共振模式而不会影响其它性能。

接着，步骤114将粘着剂灌入该模具中，抽真空30～40分钟，于160～180℃固化6～9小时后，脱模以形成1-3型压电复合材料。合适的粘着剂可为环氧树脂或硅酮树脂。环氧树脂粘着剂的制备方法为：选择一种环氧树脂为基质，以基质：固化剂的重量比为3∶1的比例在基质中加入固化剂，固化剂可以是顺丁烯二酸酐或六氢邻苯二甲酸酐，如操作有需要可加入稀释剂，例如邻苯二甲酸二辛酯稀释环氧树脂，稀释剂用量为环氧树脂重量的1％。

为了测试压电复合材料的性能，将压电复合材料切割成2毫米厚度的薄片，接着磨平，且披覆银电极，置于硅油中，在1.5～2.5kV/mm、温度100℃、15～25分钟条件下，对压电复合材料进行极化。经测定，压电复合材料的d₃₃大于300pC/N。

接着，请参考图2，图2为本发明的第一实施例的压电发电装置的示意图。本发明的压电发电装置20包含：支撑台22、金属板24及压电发电组件26。金属板24具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金属板24的一端24a固定在支撑台22上；压电发电组件26邻接于金属板24的第一表面241上，压电发电组件26使用上述压电复合材料制成，压电发电组件26为板状，长度可为3～10厘米，较佳为10厘米，厚度可为30微米～3毫米。此外，可设置质量块30放置在金属板24的另一端24b的第一表面241上，以增加压电发电组件26的振动。质量块30的质量可为0.5～10克。

接着，请参考图3，图3为本发明的第二实施例的压电发电装置的示意图。本发明的压电发电装置20包含：支撑台22、金属板24及两个压电发电组件26、28。压电发电组件26邻接于金属板24的第一表面241上，压电发电组件28邻接于金属板24的第二表面242上，压电发电组件26、28使用上述压电复合材料制成，压电发电组件26、28为板状，长度可为3～10厘米，较佳为10厘米，厚度可为30微米～3毫米。此外，质量块30放置在金属板24的另一端24b的第一表面241上，以增加压电发电组件26、28的振动。

接着，请参考图4，图4为本发明的第三实施例的压电发电装置的示意图。本发明的压电发电装置20包含：支撑台22、金属板24及压电发电组件26。金属板24，具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金属板24的一端24a固定在支撑台22上。压电发电组件26邻接于金属板24的第一表面241上，压电发电组件26使用上述压电复合材料制成，压电发电组件26为板状，长度可为3～10厘米，较佳为10厘米，厚度可为30微米～3毫米。两个质量块30、32分别放置在金属板24的另一端24b的第一表面241及第二表面242上，以增加压电发电组件26的振动。

接着，请参考图5，图5为本发明的第四实施例的压电发电装置的示意图。本发明的压电发电装置20包含：支撑台22、金属板24及两个压电发电组件26、28。金属板24具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金属板24的一端24a固定在支撑台22上。压电发电组件26邻接于金属板24的第一表面241上，压电发电组件28邻接于金属板24的第二表面242上，压电发电组件26、28使用上述压电复合材料制成，压电发电组件26、28为板状，长度可为3～10厘米，较佳为10厘米，厚度可为30微米～3毫米。两个质量块30、32分别放置在金属板24的另一端24b的第一表面241及第二表面242上，以增加压电发电组件26、28的振动。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例的具体说明，并非用以局限本发明的保护范围，其它运用本发明的精神的等效变化，均应属于本发明的权利要求范围。

Claims

1.一种压电复合材料的制法，其特征在于，该制法包括以下步骤：

(a)混合压电陶瓷粉末、粘结剂、交联剂、润滑剂及增塑剂，以形成浆料；

(b)对该浆料进行挤压成型步骤，以形成压电陶瓷纤维生胚；

(c)对该压电陶瓷纤维生胚进行烧结步骤，以形成压电陶瓷纤维；

(d)依照预定的体积含量，将该压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及

(e)将粘着剂灌入该模具中，以形成压电复合材料。

2.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述润滑剂为丙三醇或二丙二醇，该润滑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

3.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述增塑剂选自由聚乙烯乙二醇、1，3丁二醇、1，4丁二醇及苯醇所组成的族群，该增塑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

4.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末具有化学式ABO₃，化学式ABO₃中，A为铅、钡、镧(lanthanum)、锶(strontium)、钾或锂，B为钛、锆(zirconium)、锰、钴、铌(niobium)、铁、锌、镁、钇(yttrium)、锡、镍或钨，该压电陶瓷粉末的重量百分比介于70～95wt％。

5.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末的尺寸介于0.1～1.0微米。

6.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述粘结剂为甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素，该粘结剂的重量百分比介于3.5～20wt％。

7.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述交联剂为含硼酸、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐或铝酸盐的水溶液，该交联剂为浓度介于0.005～0.05M的水溶液。

8.如权利要求7所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(a)中的所述交联剂的重量百分比介于0.5～5wt％。

9.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(b)中的挤压压力介于1～50kg/cm²。

10.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(b)中的所述压电陶瓷纤维生胚的直径介于75～1,000微米。

11.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(c)中的所述烧结温度介于1,000～1,300℃。

12.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，该制法还包括在所述步骤(c)前进行干燥步骤，该干燥步骤的温度介于80～120℃。

13.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(d)中的体积含量为35％～85％。

14.如权利要求1所述的压电复合材料的制法，其特征在于，所述步骤(e)中的所述粘着剂为环氧树脂或硅酮树脂。

15.一种压电发电装置，其特征在于，该装置包含：

支撑台；

金属板，具有彼此相反的第一表面及第二表面，该金属板的一端固定在该支撑台上；及

至少一个压电发电组件，邻接于该金属板的第一表面和/或第二表面上，该压电发电组件使用权利要求1所述的压电复合材料制成。

16.如权利要求15所述的压电发电装置，其特征在于，所述两个压电发电组件分别邻接于所述金属板的第一表面及第二表面上。

17.如权利要求15或16所述的压电发电装置，其特征在于，该装置还包括质量块，该质量块放置在所述金属板的另一端。

18.如权利要求15或16所述的压电发电装置，其特征在于，该装置还包括两个质量块，分别放置在所述金属板的另一端的第一表面及第二表面上。

19.如权利要求15所述的压电发电装置，其特征在于，所述压电发电组件为板状，长度为3～10厘米。

20.如权利要求15所述的压电发电装置，其特征在于，所述压电发电组件的厚度为30微米～3毫米。