CN103682082A - 一种制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的方法，用切割-填充法将配制好的环氧树脂填充进入切割好的压电陶瓷纤维的间隙中，制备成压电陶瓷纤维与环氧树脂的复合材料，然后用环氧树脂胶将交叉电极封装在这种复合材料的上下表面，最后在交叉电极两端焊接导线，经过高压极化后最终制备出性能优异的新型粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器。本发明制备出的驱动器在1kv的交流电压下可以获得纵向应变达30με，横向应变达20με，即纵向和横向伸缩可达0.69μm和0.4μm，而且制备工艺简单易操作，成本低，效率高，适合大批量的生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备压电陶瓷纤维复合材料的方法，尤其涉及一种由粗压电陶瓷纤维和环氧树脂两种材料组成的粗压电陶瓷纤维复合材料功能器件的加工制备方法，属于智能材料与功能器件制备领域。
背景技术
压电陶瓷材料是指一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料。然而由于其具有脆性大、密度大、硬度高、不易变形等缺点，使得这类材料在应用上得到了很大的限制。为了克服这些缺点，70年代起压电复合材料的到了广泛的研究。压电复合材料一般是指由压电陶瓷相和柔性的聚合物相相互复合而成的一类材料。由于柔性的聚合物相具有柔韧性好，密度低，易变形等优点，使得这类压电复合材料具有优异的综合性能，因此也被广泛的应用于驱动器等器件的制备之中。
第一类驱动的制备采用了主动的压电纤维复合材料（(Active Fiber Composites 简称AFC). 是由麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT) 制备的主动压电纤维复合材料驱动器（Active Fiber Composites Actuato）。AFC是一种将横截面为圆形的压电陶瓷纤维横向排列镶嵌于有机物基体之中而得到的一种复合材料。然而由于压电纤维为圆柱形使得驱动器中陶瓷相和电极的接触面积减小，降低了AFC驱动器的机电转换效率，而且圆柱形的压电纤维制备工艺复杂使得AFC的制备成本增加。针对AFC的缺点美国航空航天局兰利研究中心(NASA Langley Research Center )对压电纤维复合材料的制备及应用展开了更深入的研究，他们提出采用流延成型法制备压电陶瓷薄片，经过一定的烧结工艺，然后采用精密数控切割机制备压电纤维，最后与有机物基体相复合并成功制备出了粗压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite简称MFC)，并且利用MFC制备出了粗压电纤维复合材料驱动器（Macro Fiber Composites Actuato）。 
MFC是一种将横截面为矩形的压电陶瓷纤维横向排列镶嵌于有机物基体之中而得到的一种复合材料，与AFC相比由于MFC中压电陶瓷纤维为矩形，使得其在制备出的驱动器中陶瓷相和电极的接触面积显著增加，提高了MFC驱动器的机电转换效率，而且矩形的压电陶瓷纤维制备工艺简单，使得MFC的制备成本较低。
尽管美国航空航天局兰利研究中心(NASA Langley Research Center )制备出的MFC具备了一些优良的性能，但是他们所采用的制备方法仍然具有许多缺点，例如，采用流延法制备的陶瓷薄片烧结比较困难，薄片的平整性难以确定;烧成后的陶瓷薄片脆性大，切割工艺复杂等。目前我们国内相关的报道还比较少，如何制备出性能优异的MFC并使它得到更广泛的应用，对我们国家在航空智能结构领域未来的发展具有很大的促进作用。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种新型粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的制备方法，该复合材料驱动器的复合材料层由粗压电陶瓷纤维和环氧树脂相间复合而成，驱动器的封装电极采用交叉型的电极。
技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：采用固相反应法制备出直径为30-50mm、厚度为15-25mm的圆柱体形陶瓷块；
步骤二：利用金刚石线切割机将制得的圆柱体形陶瓷块切割成长23-45mm、宽20-35mm、厚2-5mm的长方体形陶瓷块；
步骤三：再利用金刚石线切割机将步骤二制备的长方体形陶瓷块切割成深度为1-2.5mm、间距为0.3-0.5mm的整齐排列的陶瓷纤维阵列块；在进行线切割时，切割的深度需要精确控制，陶瓷纤维的宽度也要精确控制以保证均一性；
步骤四：将步骤三切好的陶瓷纤维阵列块放入底部平整的长为60-80mm，宽为60-80mm，高为20-25mm的塑料容器中；
步骤五：用电子称分别称取50-60g的环氧树脂E-44、45-55g的低分子650聚酰胺树脂固化剂、 5-10g的二丁酯增韧剂和10-20g的丙酮；
步骤六：把丙酮倒入低分子650聚酰胺树脂中用玻璃棒搅拌均匀，再将环氧树脂E-44和二丁酯倒入丙酮和聚酰胺树脂的混合物中共同搅拌至均匀，制备成所需的环氧树脂填充液，然后再将填充液注入步骤四中盛有塑料容器之中；为了保证制备产物的质量，待填充液充分搅拌均匀且气泡较少时迅速倒入容器中抽真空填充；
步骤七：将装有填充液的塑料容器放入真空干燥箱中，然后抽真空，使其在相对真空度为-0.08~-0.1MPa下保压1-2h，随后继续抽真空，使其在相对真空度为-0.09~-1.5MPa时保压1-2h，然后升温至60-75℃保温3-5h，再升温至80-90℃保温1-2h，最后当温度降至室温时取出制得压电陶瓷复合叠层；
步骤八：将步骤七中制得的压电陶瓷复合叠层经过抛光机打磨得到所需厚度的粗压电陶瓷纤维复合薄片；
步骤九：利用环氧树脂胶将叉指形的电极封装在步骤八中制备的粗压电陶瓷纤维复合薄片上下表面；所述的将交叉电极封装在粗压电纤维复合薄片上下表面，封装过程中要精确操作，使得上下表面的电极电路完全重叠；
步骤十：在封装好的驱动器的叉指电极两端焊接导线，后在1.5-2.5kv下极化20-30分钟，最终制备出性能优异的新型粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器。
本发明的技术方案首先利用传统的固相法制备出压电陶瓷粉体，烧结后得到圆柱体形的压电陶瓷块，再采用切割-填充法使其成为一个粗压电陶瓷纤维和环氧树脂相间排列的叠层结构，经抛光打磨和叉指电极封装后制得新型的粗压电纤维复合材料驱动器。
有益效果
本发明的方法制备得到的新型粗压电纤维复合材料驱动器经交叉电极极化后可以应用于结构控制、振动抑制和结构健康监测等领域，具有广泛的应用前景；制备得到的驱动器在1kv的交流电压下可以获得纵向应变达30με，横向应变达20με，即纵向和横向伸缩可达0.69μm和0.4μm，而且制备工艺简单易操作，成本低，效率高，适合大批量的生产。该方法利用成熟高效的切割-填充法，并利用抛光机打磨和交叉电极封装制成新型粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器，此制备过程简单，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
本实施例为PMN-PZT压电陶瓷材料与环氧树脂E-51及交叉电极制备新型粗压电纤维复合材料驱动器的方法，包括如下步骤：
步骤一：采用固相反应法制备出直径为30mm、厚度为15mm的圆柱体形陶瓷块；
步骤二：利用金刚石线切割机将制得的圆柱体形陶瓷块切割成长23mm，宽20mm，厚2mm的长方体形陶瓷块；
步骤三：再利用金刚石线切割机将步骤二制备的陶瓷块切割成深度为1mm、间距为0.3mm的整齐排列的陶瓷纤维阵列块；
步骤四：将步骤三切好的陶瓷纤维阵列块放入底部平整的60mm×60mm×25mm的塑料容器中；
步骤五：用电子称分别称取50g的环氧树脂E-44、45g的低分子650聚酰胺树脂固化剂、 5g的二丁酯增韧剂和10g的丙酮；
步骤六：把丙酮倒入低分子650聚酰胺树脂中用玻璃棒搅拌均匀，再将环氧树脂E-44和二丁酯倒入丙酮和聚酰胺树脂的混合物中共同搅拌至均匀，制备成所需的环氧树脂填充液，然后再将填充液注入步骤四中的塑料容器之中；
步骤七：将装有填充液的塑料容器放入真空干燥箱中，然后抽真空，使其在相对真空度为-0.08MPa下保压1h，随后继续抽真空，使其在相对真空度为-0.09MPa时保压1h，然后升温至60℃保温3h，再升温至80℃保温1h，最后当温度降至室温时取出制得压电陶瓷复合叠层；
步骤八：将步骤七中制得的压电陶瓷复合叠层经过抛光机打磨得到所需厚度的粗压电陶瓷纤维复合薄片；
步骤九：利用环氧树脂胶将叉指形的电极封装在步骤八中制备的粗压电陶瓷纤维复合薄片上下表面；
步骤十：在封装好的驱动器的叉指电极两端焊接导线，后在1.5kv下极化30分钟，最终制备出性能优异的新型粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器。
实施例二：
本实施例为PMN-PZT压电陶瓷材料与环氧树脂E-51及交叉电极制备新型粗压电纤维复合材料驱动器的方法，包括如下步骤：
步骤一：采用固相反应法制备出直径为350mm、厚度为25mm的圆柱体形陶瓷块；
步骤二：利用金刚石线切割机将制得的圆柱体形陶瓷块切割成长45mm、宽35mm、厚5mm的长方体形陶瓷块；
步骤三：再利用金刚石线切割机将步骤二制备的长方体形陶瓷块切割成深度为2.5mm、间距为0.5mm的整齐排列的陶瓷纤维阵列块；
步骤四：将步骤三切好的陶瓷纤维阵列块放入底部平整的长为80mm，宽为80mm，高为25mm的塑料容器中；
步骤五：用电子称分别称取60g的环氧树脂E-44、45-55g的低分子650聚酰胺树脂固化剂、 10g的二丁酯增韧剂和120g的丙酮；
步骤六：把丙酮倒入低分子650聚酰胺树脂中用玻璃棒搅拌均匀，再将环氧树脂E-44和二丁酯倒入丙酮和聚酰胺树脂的混合物中共同搅拌至均匀，制备成所需的环氧树脂填充液，然后再将填充液注入步骤四中盛有塑料容器之中；
步骤七：将装有填充液的塑料容器放入真空干燥箱中，然后抽真空，使其在相对真空度为-0.1MPa下保压2h，随后继续抽真空，使其在相对真空度为-1.5MPa时保压2h，然后升温至75℃保温5h，再升温至90℃保温2h，最后当温度降至室温时取出制得压电陶瓷复合叠层；
步骤八：将步骤七中制得的压电陶瓷复合叠层经过抛光机打磨得到所需厚度的粗压电陶瓷纤维复合薄片；
步骤九：利用环氧树脂胶将叉指形的电极封装在步骤八中制备的粗压电陶瓷纤维复合薄片上下表面；
步骤十：在封装好的驱动器的叉指电极两端焊接导线，后在2.5kv下极化30分钟，制备得到粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器。
Claims (2)
1.一种制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：采用固相反应法制备出直径为30-50mm、厚度为15-25mm的圆柱体形陶瓷块；
步骤二：利用金刚石线切割机将制得的圆柱体形陶瓷块切割成长23-45mm、宽20-35mm、厚2-5mm的长方体形陶瓷块；
步骤三：再利用金刚石线切割机将步骤二制备的长方体形陶瓷块切割成深度为1-2.5mm、间距为0.3-0.5mm的整齐排列的陶瓷纤维阵列块；
步骤四：将步骤三切好的陶瓷纤维阵列块放入底部平整的长为60-80mm，宽为60-80mm，高为20-25mm的塑料容器中；
步骤五：用电子称分别称取50-60g的环氧树脂E-44、45-55g的低分子650聚酰胺树脂固化剂、 5-10g的二丁酯增韧剂和10-20g的丙酮；
步骤六：把丙酮倒入低分子650聚酰胺树脂中用玻璃棒搅拌均匀，再将环氧树脂E-44和二丁酯倒入丙酮和聚酰胺树脂的混合物中共同搅拌至均匀，制备成所需的环氧树脂填充液，然后再将填充液注入步骤四中盛有塑料容器之中；
步骤七：将装有填充液的塑料容器放入真空干燥箱中，然后抽真空，使其在相对真空度为-0.08~-0.1MPa下保压1-2h，随后继续抽真空，使其在相对真空度为-0.09~-1.5MPa时保压1-2h，然后升温至60-75℃保温3-5h，再升温至80-90℃保温1-2h，最后当温度降至室温时取出制得压电陶瓷复合叠层；
步骤八：将步骤七中制得的压电陶瓷复合叠层经过抛光机打磨得到所需厚度的粗压电陶瓷纤维复合薄片；
步骤九：利用环氧树脂胶将叉指形的电极封装在步骤八中制备的粗压电陶瓷纤维复合薄片上下表面；
步骤十：在封装好的驱动器的叉指电极两端焊接导线，后在1.5-2.5kv下极化20-30分钟，制备得到粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器。
2.如权利要求1所述的制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器的方法，其特征在于，步骤六中，待填充液充分搅拌均匀且气泡较少时迅速倒入容器中抽真空填充。
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