CN103346254A

CN103346254A - 一种多层磁电复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN103346254A
Application number: CN2013102878849A
Authority: CN
Inventors: 施展; 陈来柱; 邓数文; 佟永帅; 薛昊; 杨水源; 卢勇; 王翠萍; 刘兴军
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: CN103346254B

Abstract

一种多层磁电复合材料的制备方法，涉及磁电复合材料。将所需的金属原料切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相，清洗后烘干；选用环氧树脂中的3份A组分与1份B组分混合，静置除泡，得到环氧树脂AB混合体，再加入压电陶瓷粉末，混合后静置除泡，得到具有流动性的压电相预制体；将多层的铁磁相结构置于模具中，灌注具有流动性的压电相预制体至其完全填满铁磁相层间距而从铁磁相结构下表面流出，静置待预制体固化；待预制体固化后，去除多层叉指电极结构的连接部分以及多余的压电相，在多层叉指电极结构的两极上引出引线，放置在硅油中，进行极化，得多层磁电复合材料。可设计性高、制备过程较为简单。

Description

一种多层磁电复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及磁电复合材料，尤其是涉及一种多层磁电复合材料的制备方法。

背景技术

磁电复合材料由铁磁相材料和压电相材料复合而得到，具有施加磁场产生电极化的磁电效应，可在传感器、换能器、能量收集器等新型器件中应用。磁电复合材料产生磁电效应的原理为：当施加外加磁场时，铁磁相发生磁致伸缩，铁磁相和压电相相互接触，磁致伸缩产生的应变部分传递给了压电相，压电相被间接地施加了应变以后，由于压电效应产生电极化，使复合材料具有了施加磁场产生电极化的宏观磁电效应。选择各种铁磁、压电材料进行复合可以得到多种磁电复合材料。同时，复合材料具有多种结构，常见磁电复合材料的结构有颗粒复合、叠层复合和纤维复合结构等等。对于相同的组分，可以选择不同的结构进行复合，并且不同结构对磁电性能有很大的影响。叠层结构是目前性能较高并且制备也相对容易的一种结构，被研究者广泛采用。叠层磁电复合材料的结构常见的只是两层复合或者三层复合，多层结构较少见。然而实际上多层结构的磁电复合材料相当于多个磁电单元的串联或者并联，可以提高输出电压或者降低材料本身的阻抗，有很大的实用潜力。

多层结构磁电复合材料的性能较好，但是制备工艺都比较复杂。目前报道的多层Terfenol-D/PZT材料是通过手工逐层粘接Terfenol-D片和PZT片的方式制备[Shuxiang Dong,Jungyi Zhai,Zhengping Xing,Jie-Fang Li and D.Viehland,Extremely lowfrequency response of magnetoelectric multilayer composites,Appl.Phys.Lett.86,102901(2005)]，需要预先对每一层PZT片进行极化，再与Terfenol-D片进行逐层粘接，最后按照设计的连接关系对每一层进行电气连接。复合工艺是以往双层、三层结构制备工艺的机械叠加，工作量较大。另外一种多层Ni/BaTiO₃结构则是通过对现有的Ni/BaTiO₃片式陶瓷电容器进行极化得到的[C.Israel,N.D.Mathur and J.F.Scott,A one-cent room-temperature magnetoelectric sensor,Nat.Mater.7,93(2008)]。经过高电压极化以后，多层片式电容中的BaTiO₃具有一定的压电效应，与内部叉指电极金属Ni的磁致伸缩效应相互耦合，使多层片式电容也能产生磁电效应。这种方式直接借用了多层片式电容的多层结构，无需手工逐层复合，但是片式电容的尺寸参数基本固定，所用的材料也取决于电容厂商的设计，无法进行调整，因此结构上的可设计性很低。由于Ni内电极一般都比较薄，BaTiO₃的压电性也比较有限，因此该结构的磁电性能较低，实际应用比较困难。

现有的多层磁电复合材料的制备工艺存在以下问题：

1、Terfenol-D/PZT多层复合材料属于手工地重复双层的制备工艺，并且需要逐层连接引线来实现电气连接，过程比较复杂，工艺效率较低。

2、多层片式电容结构属于现有元件的改装，组分和多层结构的尺寸可以改动的余地很小，很难更换高性能的组元进行复合，可设计性较差。

发明内容

本发明的目的是提供可设计性高、制备过程较为简单的一种多层磁电复合材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将所需的金属原料切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相，清洗后烘干；

2）选用环氧树脂中的3份A组分与1份B组分混合，静置除泡，得到环氧树脂AB混合体；

3）在步骤2）所得的环氧树脂AB混合体中加入压电陶瓷粉末，混合后静置除泡，得到具有流动性的压电相预制体（Piezoelectric ceramic Epoxy composite，简称PE）；

4）将多层的铁磁相结构置于模具中，灌注步骤3）所得的具有流动性的压电相预制体至其完全填满铁磁相层间距而从铁磁相结构下表面流出，静置待预制体固化；

5）待预制体固化后，去除多层叉指电极结构的连接部分以及多余的压电相，在多层叉指电极结构的两极上引出引线，放置在硅油中，进行极化，得多层磁电复合材料。

在步骤1）中，所述切割可采用线切割机，所述切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相，可根据0.3mm的层间距、0.3mm的层厚度以及多层的层数要求，编写相应的线切割程序，切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相；所述多层具有叉指电极结构的边缘可保留1mm连接部分使叉指电极的两极依旧保持连接，不会发生相对移动；所述清洗，可依次水洗5min，再无水乙醇超声清洗20min；所述烘干的温度可为50℃。

在步骤2）中，所述环氧树脂可采用5008-2型环氧树脂；所述静置除泡的时间可为5min。

在步骤3）中，所述压电陶瓷粉末可采用PZT-4压电陶瓷粉末或PZT-8压电陶瓷粉末等；所述静置除泡的时间可为10min。

在步骤4）中，所述静置的时间可为10h。

在步骤5）中，所述硅油的温度可为80℃，所述极化的电压可为1500～2000V。

本发明采用线切割的加工手段，在金属铁磁相上切割出多层叉指电极的图案。选用压电陶瓷粉末和环氧树脂组成的压电复合材料作为压电相，利用环氧树脂固化前具有流动性，可以一次性地完成压电相在多层叉指电极间隙中的填注。环氧树脂固化以后，对叉指电极的两极进行高压极化，使压电相具有宏观压电性，最终叉指电极间隙中的压电相与作为叉指电极的铁磁相进行耦合产生磁电效应。

本发明的突出技术效果如下：

1、一次加工获得多层叉指电极结构，与手工逐层粘接的工艺相比，大大提高了效率，有利于磁电材料的批量制作。

2、工艺的适用面广，可以选用任何导电的金属铁磁材料作为铁磁相制作多层结构，可以选用任何压电陶瓷粉末与低黏度环氧树脂混合作为压电相。

3、工艺的可设计性高，通过修改线切割的控制代码，就可以十分方便地调整多层叉指电极结构的层厚、层数、层间距等参数，获得所需结构的磁电复合材料。

附图说明

图1为纯Ni（N=0.9999）/PE多层磁电复合材料的磁电回线。

图2为A3钢/PE多层磁电复合材料的磁电回线。

图3为纯Fe（N=0.995）/PE多层磁电复合材料的磁电回线。

图4为FeNi合金（Fe_0.5Ni_0.5）/PE多层磁电复合材料的磁电回线。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1Ni/PE多层磁电复合材料

选择纯Ni（N=0.9999）块体作为铁磁相，将其固定在线切割机上，编写程序，切割出多层的结构。多层结构的两极不完全切断，保持连接成一个整体。用水清洗多层结构表面，并用无水乙醇超声清洗20min，然后在50℃烘箱中烘干。选用5008-2型环氧树脂，按照A∶B=3∶1的比例配制，室温下静置5min除泡。选用PZT-8压电陶瓷粉末，按照压电陶瓷粉末与AB混合体8∶1的重量比加入陶瓷粉末。搅拌混合均匀，室温下静置10min除泡，获得压电相预制体（PE）。将多层结构置于模具底部，灌注压电相预制体，利用预制体的流动性待其充分灌注到多层结构的间隙中。室温下静置至固化。固化完成后，切除多余的铁磁相和压电相，在多层结构的两极上引出引线。将带有引线的多层结构放入80℃的硅油中，施加1500V高电压进行极化，极化完成后得到纯Ni（N=0.9999）/PE多层磁电复合材料。随后进行磁电性能测试，结果如图1所示。

实施例2A3钢/PE多层磁电复合材料

选择A3钢块体作为铁磁相，将其固定在线切割机上，编写程序，切割出多层的结构。多层结构的两极不完全切断，保持连接成一个整体。用水清洗多层结构表面，并用无水乙醇超声清洗20min，然后在50℃烘箱中烘干。选用5008-2型环氧树脂，按照A∶B=3∶1的比例配制，室温下静置5min除泡。选用PZT-4压电陶瓷粉末，按照压电陶瓷粉末与AB混合体8∶1的重量比加入陶瓷粉末。搅拌混合均匀，静置10min除泡，获得压电相预制体（PE）。将多层结构置于模具底部，灌注压电相预制体，利用预制体的流动性待其充分灌注到多层结构的间隙中。室温下静置至固化。固化完成后，切除多余的铁磁相和压电相，在多层结构的两极上引出引线。将带有引线的多层结构放入80℃的硅油中，施加2000V高电压进行极化，极化完成后得到A3钢/PE多层磁电复合材料。随后进行磁电性能测试，结果如图2所示。

实施例3Fe/PE多层磁电复合材料

选择纯Fe（N=0.995）块体作为铁磁相，将其固定在线切割机上，编写程序，切割出多层的结构。多层结构的两极不完全切断，保持连接成一个整体。用水清洗多层结构表面，并用无水乙醇超声清洗20min，然后在50℃烘箱中烘干。选用5008-2型环氧树脂，按照A∶B=3∶1的比例配制，室温下静置5min除泡。选用PZT-8压电陶瓷粉末，按照压电陶瓷粉末与AB混合体8∶1的重量比加入陶瓷粉末。搅拌混合均匀，静置10min除泡，获得压电相预制体（PE）。将多层结构置于模具底部，灌注压电相预制体，利用预制体的流动性待其充分灌注到多层结构的间隙中。室温下静置至固化。固化完成后，切除多余的铁磁相和压电相，在多层结构的两极上引出引线。将带有引线的多层结构放入80℃的硅油中，施加1800V高电压进行极化，极化完成后得到Fe/PE多层磁电复合材料。随后进行磁电性能测试，结果如图3所示。

实施例4FeNi合金（Fe_0.5Ni_0.5）/PE多层磁电复合材料

选择FeNi合金（Fe_0.5Ni_0.5）块体作为铁磁相，将其固定在线切割机上，编写程序，切割出多层的结构。多层结构的两极不完全切断，保持连接成一个整体。用水清洗多层结构表面，并用无水乙醇超声清洗20min，然后在50℃烘箱中烘干。选用5008-2型环氧树脂，按照A∶B=3∶1的比例配制，室温下静置5min除泡。选用PZT-8压电陶瓷粉末，按照压电陶瓷粉末与AB混合体8∶1的重量比加入陶瓷粉末。搅拌混合均匀，静置10min除泡，获得压电相预制体（PE）。将多层结构置于模具底部，灌注压电相预制体，利用预制体的流动性待其充分灌注到多层结构的间隙中。室温下静置至固化。固化完成后，切除多余的铁磁相和压电相，在多层结构的两极上引出引线。将带有引线的多层结构放入80℃的硅油中，施加1800V高电压进行极化，极化完成后得到Fe_0.5Ni_0.5/PE多层磁电复合材料。随后进行磁电性能测试，结果如图4所示。

Claims

1.一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

3）在步骤2）所得的环氧树脂AB混合体中加入压电陶瓷粉末，混合后静置除泡，得到具有流动性的压电相预制体；

2.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述切割采用线切割机。

3.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相，是根据0.3mm的层间距、0.3mm的层厚度以及多层的层数要求，编写相应的线切割程序，切割出多层具有叉指电极结构的铁磁相。

4.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述多层具有叉指电极结构的边缘保留1mm连接部分使叉指电极的两极依旧保持连接。

5.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述清洗，是依次水洗5min，再无水乙醇超声清洗20min。

6.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述烘干的温度为50℃。

7.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述环氧树脂采用5008-2型环氧树脂；所述静置除泡的时间可为5min。

8.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述压电陶瓷粉末采用PZT-4压电陶瓷粉末或PZT-8压电陶瓷粉末；所述静置除泡的时间可为10min。

9.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤4）中，所述静置的时间为10h。

10.如权利要求1所述一种多层磁电复合材料的制备方法，其特征在于在步骤5）中，所述硅油的温度为80℃；所述极化的电压可为1500～2000V。