CN103985815B - 一种制备压电纤维复合物的切割方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备压电纤维复合物的切割方法，以压电陶瓷粉料为原料，制备压电陶瓷薄板生坯，其特征在于，将部分所述的薄板生坯裁切成条状的生坯条；将生坯条间距地粘贴在未被裁切的薄板生坯上，进行烧结，得到一面间距排列有带条状物的烧结薄板；将所述的烧结薄板上有条状物的一面粘在基板上，从所述的烧结薄板上没有条状物的一面开始进行间距切割；切割后灌入树脂再通过减薄将条状物减去，直至所需厚度，裁剪得到所需压电纤维复合物的尺寸。本发明的方法操作简单，节省用料，可有效避免薄板在机械切割时的操作困难，保持切割后压电纤维形态。

Description

一种制备压电纤维复合物的切割方法
技术领域
本发明涉及一种制备压电纤维复合物的切割方法。
背景技术
压电材料是能将机械能和电能相互转换的功能材料，在传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器、蜂鸣器、电子点火器等电子元件和器件方面有着广泛的应用。但由于传统的压电陶瓷存在机械品质因数高、压电电压常数小、径向共振强、厚度共振弱及声阻抗大等缺陷,使其应用受到限制。压电纤维复合物(Macro Fiber Composites)是由压电陶瓷纤维，聚合物基体和叉指状电极所组成。该复合物不仅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，而且还解决了压电陶瓷块体材料硬而脆等缺陷，具有厚度薄，重量轻，可进行大幅弯曲和扭转等特点，很容易粘贴到包括曲面在内的多种工作表面上，极大地拓展了其应用的领域。
目前，压电纤维复合物的制备方法和技术主要有如下几种：
(1)脱模法
该方法基于VPP法(Viscous Polymer Processing),工序简单、适合大规模的制备压电复合材料,模具的制作较简单、价格低廉,被认为是较有发展前景的一种方法,能生产质量较好、高纵横比的压电复合材料。但脱模的过程,当陶瓷柱的尺寸低于100μm,燃烧时产生的热应力使得阵列容易塌陷。
(2)注射成型法
注射成型也被大量的用于制备压电复合材料。这种方法可以制备大面积的压电纤维复合物,陶瓷纤维的几何尺寸、分布及体积分数都可以较灵活的控制。但用于注射成型的模具复杂、成本高而且制备的陶瓷纤维长度有限，从而应用受到限制。
(3)激光切割法
激光切割的方法相比于切割-填充方法它有着高精度、无接触、多功能及易于操作等优越性。其中紫外脉冲激光微刻蚀技术是一种有前景的制备复合材料的方法,它能用于切割脆性材料,比如:水晶、玻璃和陶瓷等。由于脉冲激光点的尺寸精细(约20μm)使得切割的宽度可调。激光切割的方法也可以用于各种复杂形状样品的制备。但该方法对激光的精度提出很高的要求,且激光的热效应很容易导致陶瓷材料的破裂,影响材料的结构与性能。
(4)切割-填充法
利用超薄的锯片机械切割陶瓷薄板得到压电纤维，可以得到大小均匀、致密度好、具有高长径比的纤维，在排列平整的纤维中灌入树脂，得到压电纤维复合物。若使用高精密度切割机可直接切割超薄生坯，得到平整排列在特制的试样盒中的压电纤维，无需再进行减薄获得相应尺寸。但高精密度切割机成本很高，一般使用的都是普通切割机，若使用普通切割机切割大片压电纤维时，由于薄板的厚度较薄，下切深度浅，机械加工时工作台面或者薄板的轻微不平就容易造成切割深度不好控制，部分切割过深部分切割过浅。若加大切割深度，薄板完全切透，则取下时纤维分散，或者沾有冷却水的毛细管力而聚拢在一起，不能达到排列平整的形态，增大了下一步加工的难度。通常对于这种情况往往采用增大薄片厚度切割后再进行减薄，增加下切深度也不会将薄板切透，但加厚板子会造成薄板不易干燥，烧结易裂，成品率不高，并浪费材料。另一种是用石蜡将两块板子粘结在一起后进行切割，但石蜡很难清洁，且灌树脂后固化由于收缩不一样，不能达到所需形态，造成很大的浪费。机械切割法对机械加工技术或对设备有着高的要求.对于大多数研究机构，此方法受到一定限制。
发明内容
本发明针对使用切割-填充法切割大片排列平整的压电纤维容易出现的问题进行改良，目的是提供一种操作简单，节省用料，可有效避免薄板在机械切割时的操作困难，保持切割后压电纤维形态。
本发明的技术方案是：以压电陶瓷粉料为原料，制备压电陶瓷薄板生坯，其特征在于，将部分所述的薄板生坯裁切成条状的小生坯条；将小生坯条间距地粘贴在未被裁切的薄板生坯上，进行烧结，得到一面间距排列有带条状物的烧结薄板；将所述的烧结薄板上有条状物的一面粘在基板上，从所述的烧结薄板上没有条状物的一面开始进行间距切割；切割后灌入树脂再通过减薄将条状物减去，直至所需厚度，裁剪得到压电纤维复合物所需尺寸。
生坯条与所述的薄板生坯平面的中心线平行或垂直或成角度排列粘贴。
本发明的方案中优选所述的小生坯条等间距地粘贴在薄板生坯上。
以压电陶瓷粉料为原料用流延法制备压电陶瓷薄板生坯。
以压电陶瓷粉料为原料用流延法加入溶剂、分散剂、增塑剂混合均匀浆料用流延法制备压电陶瓷薄板生坯。
所述的压电陶瓷可以为PZT、PMN-PT或BT材料等。
未被裁切的薄板生坯通过叠加及加压处理以增加待切割的薄板生坯厚度，再进行后续的粘贴小生坯条的处理。
本发明具体实施方案是：
1.在制作薄板生坯时，将一些生坯裁切成宽度很小的生坯条。
2.将生坯条等间距地粘贴在薄板上，粘贴过程中可以是生坯条与所述的薄板生坯平面的中心线平行或垂直或成角度排列粘贴。
3.将粘有生坯条的薄板生坯放入炉子中烧结，得到带有条状物的烧结薄板。
4.将烧结薄板有条状物的那一面用粘结蜡粘在玻璃基板上，设置参数进行切割。
5.切割后可将薄板取下，根据所需厚度进行减薄。
本发明的有益效果在于：通过粘贴生坯条后可以不必担心切割过深将薄板切透，且生坯条能够将完全切透的压电陶瓷纤维形态固定，避免取下时纤维分散，或者沾有冷却水的毛细管力而聚拢在一起。且由于生坯条与薄板是同一材料体系，烧结时收缩一致，则不会因为烧结收缩而出现裂痕。生坯条间隙可以根据所需试样的大小进行调整，在控制压电纤维形态的基础上同时也节省了用料。
附图说明
图1是在制作薄板生坯时，同时将一些生坯裁切成宽度很小的生坯条。其中1为薄板生坯，2为生坯条。
图2是将生坯条等间距地粘贴在薄板上。其中1为薄板生坯，2为生坯条。
图3是将粘有生坯条的薄板生坯放入炉子中烧结，得到带有条状物的薄板。其中1为薄板生坯，2为生坯条。
图4是将有条状物的那一面用粘结蜡粘在玻璃基板上，进行切割。其中1为薄板生坯，2为生坯条。
图5是切割后灌入树脂再通过减薄机将条状物减去并达到所需厚度，后裁剪得到所需压电纤维复合物尺寸。其中1为薄板生坯，2为生坯条，3为树脂。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1：
本实例以PZT粉为原料，通过流延法制备出PZT薄板，再通过本发明的切割方法得到尺寸为80mm×50mm×1mm，纤维间距为0.5mm的PZT压电纤维复合物，具体步骤如下：
a.首先将PZT粉末按50wt％加入溶剂，再分别加入分散剂磷酸酯，增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)及粘结剂聚乙烯醇缩丁醛(PVB)混合均匀成浆料，用流延法制成300μm的生坯，将一些生坯裁切成宽度约为3mm的生坯条；
b.将流延出的生坯叠加到厚度约为2mm，加压后相互堆叠紧密结合得到叠层薄板生坯，再将生坯条以平行叠层生坯宽度的方向粘附在叠层生坯上，间距为10mm；
c.将用b步骤制备的薄板生坯以0.5℃/min的速率升温至450℃，再以6℃/min的速率升温至1200℃，保温4h后，随炉冷却，得到带条状物的压电陶瓷薄板；
d.将薄板有条状物的那一面用粘结蜡粘结在玻璃板上，在切割机上进行切割，切割后灌入树脂再通过减薄机将条状物减去并达到所需厚度，后裁剪得到所需压电纤维复合物尺寸；
实施例2：
本实例以PMN-PT粉为原料，通过流延法制备出PMN-PT薄板，再通过改良的切割方法得到尺寸为100mm×80mm×1mm，纤维间距为0.45mm的PMN-PT压电纤维复合物，有如下步骤：
a.首先将PMN-PT粉末按50wt％加入溶剂，再分别加入分散剂磷酸酯，增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)及粘结剂聚乙烯醇缩丁醛(PVB)混合均匀成浆料，用流延法制成300μm的生坯，将一些生坯裁切成宽度约为3mm的生坯条；
b.将流延出的生坯叠加到厚度约为2mm，5-20MPa下加压后相互堆叠紧密结合得到叠层薄板生坯，再将生坯条以于生坯宽度的方向成30°粘附在叠层生坯上，间距为10mm；
c.将叠层生坯以5℃/min的速率升温至600℃，再以10℃/min的速率升温至1280℃，保温0.5h后，随炉冷却，得到压电陶瓷薄板；
d.将薄板有条状物的那一面用粘结蜡粘结在玻璃板上，在切割机上进行切割，切割后灌入树脂再通过减薄机将条状物减去并达到所需厚度，后裁剪得到所需压电纤维复合物尺寸；
实施例3：
本实例以BT粉为原料，通过传统模压制备出BT薄板，再通过改良的切割方法得到尺寸为70mm×60mm×1mm，纤维间距为0.45mm的BT的压电纤维复合物，具体步骤如下：
a.首先将BT粉末与质量分数为5％的PVA混合造粒，压制成厚度约为2mm的薄板生坯，将其中一块薄板小心裁切为多条宽度约为3mm生坯条；
b.将生坯条以于薄板生坯宽度的方向成45°粘附在叠层生坯上，间距为10mm；
c.将叠层生坯以2℃/min的速率升温至600℃，再以1℃/min的速率升温至1200℃，保温2.5h后，随炉冷却，得到压电陶瓷薄板；
d.将薄板有条状物的那一面用粘结蜡粘结在玻璃板上，在切割机上进行切割，切割后灌入树脂再通过减薄机将条状物减去并达到所需厚度，后裁剪得到所需压电纤维复合物尺寸。

Claims (7)

1.一种制备压电纤维复合物的切割方法，以压电陶瓷粉料为原料，制备压电陶瓷薄板生坯，其特征在于，将部分所述的薄板生坯裁切成条状的小生坯条；将小生坯条间距地粘贴在未被裁切的薄板生坯上，进行烧结，得到一面间距排列有带条状物的烧结薄板；将所述的烧结薄板上有条状物的一面粘在基板上，从所述的烧结薄板上没有条状物的一面开始进行间距切割；切割后灌入树脂再通过减薄将条状物减去，直至所需厚度，裁剪得到所需尺寸；生坯条与所述的薄板生坯平面的中心线成角度排列粘贴。
2.根据权利要求1所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，生坯条与所述的薄板生坯平面的中心线平行或垂直排列粘贴。
3.根据权利要求1所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，所述的小生坯条等间距地粘贴在薄板生坯上。
4.根据权利要求1所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，以压电陶瓷粉料为原料用流延法制备压电陶瓷薄板生坯。
5.根据权利要求1所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，以压电陶瓷粉料为原料，加入溶剂、分散剂、增塑剂混合均匀浆料用流延法制备压电陶瓷薄板生坯。
6.根据权利要求1所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，所述的压电陶瓷为PZT、PMN-PT或BT材料。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备压电纤维复合物的切割方法，其特征在于，未被裁切的薄板生坯通过叠加及加压处理以增加待切割的薄板生坯厚度，再进行后续的粘贴小生坯条的处理。
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