CN105405963B - 一种梯度压电纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维45～90%，高分子聚合物10～55%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化。本发明梯度压电纤维复合材料，具有高柔韧性及优异的压电驱动特性，可以在复合材料的横向方向提供连续变化的驱动变形能力；梯度压电纤维复合材料集压电纤维、聚合物及交叉指形电极于一体，集成度高，便于操作及使用；此外，梯度压电纤维复合材料采用切割‑填充法制备，工艺简单，成本低廉，生产周期短，产品性能稳定。
Description
技术领域
本发明属于压电复合材料技术领域，涉及一种梯度压电纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
20世纪90年代出现的智能结构，改变了人们对传统材料和结构的固有认识。经过二十多年的发展，智能材料及智能结构这一技术领域有了长足地发展，已经成为感知和驱动主体结构的重要技术手段之一。智能材料作为智能结构中的最核心部件，能够根据外部环境和内部条件的变化做出反应以适应不同需求。其中压电陶瓷因结构刚度高、驱动力大、机电响应转换快，并可与动态系统在宽频率范围内相互作用，成为应用广泛的一类智能材料，但陶瓷的高密度及脆性本质限制了其在曲面控制等很多领域的应用。
美国麻省理工学院于1993年首次提出了圆形压电纤维复合材料，美国航空航天宇航局于2000年对此结构进行了改进，改进后的压电纤维复合材料结构构型如图1所示，即采用两片呈镜面对称的交叉指形电极对单向且均匀分布的矩形压电纤维进行封装所得。在该复合材料中，交叉指形电极结构可有效利用压电纤维的d33性能使得复合材料具有较大的驱动应变，同时也降低了极化和驱动电压。与压电陶瓷和其他结构型式的压电复合材料相比，压电纤维复合材料单向驱动力大、厚度薄、重量轻、柔韧度高，可进行大幅度弯曲和扭转并很容易作为附加结构粘贴到复杂结构表面上，极大地拓宽了压电器件的应用领域。近年来，压电纤维复合材料作为驱动器在大型智能结构，如可展开天线结构、直升机旋翼系统等的形状控制、颤振抑制与抖振控制等领域显示了广阔的应用前景。
对大型主体结构的振动或变形控制，需要将多片压电纤维复合材料按特定铺设方式粘贴于主体结构中需变形区域，并分别对单片压电纤维复合材料施加相应电压进行驱动控制以实现。目前普遍使用的压电纤维复合材料中压电纤维在复合材料的横向方向为均匀周期排布，即纤维宽度和间距均为恒定值，并且交叉指形电极中各电极指结构参数相同可为压电纤维提供相同的驱动电场，因而单片压电纤维复合材料在不同区域均具有相同的驱动能力。
大型主体结构中变形区域的所需振动或变形控制程度不尽相同，为维持主体结构振动或变形控制的连续性，需对铺设的多片压电纤维复合材料分别施加不同的驱动电压，从而大大增大了驱动电源系统的复杂性，并且相邻多片压电纤维复合材料之间驱动力为阶跃性变化，难以维持主体结构振动或变形控制的平稳连续，易导致主体结构出现畸变点或区域。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种梯度压电纤维复合材料，具有在横向方向梯度变形能力，高柔韧性及优异的压电驱动特性。
本发明的一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，所述交叉指形电极的正极指部和负极指部交替等间距排列，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维45～90%，高分子聚合物10～55%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化。
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度逐渐递减，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值A逐渐递减至数值B的梯度变化，其中，90%≥A＞B≥45%；此类梯度压电纤维复合材料可应用于主体结构变形区域需要的驱动力具有逐渐增大或减小的规律；
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递增后递减，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值B逐渐递增至数值A随后再逐渐递减至数值b的梯度压电纤维复合材料，其中，90%≥A＞B≥45%，90%≥A＞b≥45%；此类梯度压电纤维复合材料可应用于主体结构变形区域需要的驱动力具有中间大，两边小的规律；
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递减后递增，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值A逐渐递减至数值B随后再逐渐递增至数值a的梯度压电纤维复合材料；其中，90%≥A＞B≥45%，90%≥a＞B≥45%；此类梯度压电纤维复合材料可应用于主体结构变形区域需要的驱动力具有中间小，两边大的规律。
所述压电纤维的材料可为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物。
所述高分子聚合物为热固性树脂。
所述交叉指形电极为单面印刷的柔性线路板。
本发明梯度压电纤维复合材料的制备方法，步骤包括：
1）将压电块体材料固定，然后切割为压电薄片，再将压电薄片沿纵向方向切割得到横向方向上宽度呈连续梯度变化的压电纤维；
2）在步骤1）所得压电纤维间隙中填充高分子聚合物，同时用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）对封装后材料进行极化处理，得到梯度压电纤维复合材料。
步骤1）中，所述压电薄片的厚度为0.15～0.4 mm，宽度为5～40.0 mm，长度为5～150 mm
步骤1）中，所述压电纤维的厚度为0.15～0.4 mm，宽度为0.05～0.6 mm，长度为5～150 mm；
步骤2）中，所述压电纤维间隙为0.05～0.3 mm；
步骤3）中，所述极化处理方法为室温硅油中按照2.5～3.5 kV/mm×相邻正、负电极指部间距施加极化电压，极化时间为10～40 min。
本发明技术方案有益效果在于：与现有不同结构型式的压电材料相比，本发明梯度压电纤维复合材料中压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化，可以在复合材料的横向方向提供连续变化的驱动变形能力，保证了压电纤维复合材料具有高柔韧性及优异的压电驱动特性；梯度压电纤维复合材料集压电纤维、聚合物及交叉指形电极于一体，集成度高，便于操作及使用；此外，梯度压电纤维复合材料采用切割-填充法制备，工艺简单，成本低廉，生产周期短，产品性能稳定。
附图说明
图1 为实施例1的梯度压电纤维复合材料结构示意图；
图2 为实施例2的梯度压电纤维复合材料结构示意图；
图3 为实施例3的梯度压电纤维复合材料结构示意图；
图4 为对比例1的压电纤维复合材料结构示意图；
图中：①、交叉指形电极，②、压电纤维， ③、高分子聚合物。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步描述本发明，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。
实施例1：
一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，交叉指形电极的正极指部和负极指部交替等间距排列，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维80.6%，高分子聚合物19.4%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化，沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度逐渐递减，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由87.7%逐渐递减至53.3%；
制备方法，步骤为：
1）固定锆钛酸铅陶瓷块体，然后利用划片切割机对锆钛酸铅陶瓷块体进行切割，得到宽度为15.5 mm，长度为150 mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅压电陶瓷薄片，利用锯片厚度为0.07 mm的精细切割机对锆钛酸铅压电陶瓷薄片沿纵向进行切割，所得相邻纤维之间的间隙为0.07±0.005mm，切割初始位置设定在锆钛酸铅薄片的横向一侧，起始压电纤维的宽度为0.50 mm，随后压电纤维的宽度按照比相邻压电纤维宽度减小0.01 mm进行递减，得到最终压电纤维的宽度为0.08 mm；
2）利用低粘度环氧树脂2020填充步骤1）所得锆钛酸铅压电纤维间隙，并同时利用两片正、负电极指部间距为0.7mm的交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）室温下，将步骤2）封装后材料放置于硅油中，然后施加2.1 kV电压极化15 min，得实施例1梯度压电纤维复合材料，结构如图1所示。
分别在实施例1梯度压电纤维复合材料的压电纤维宽度约为0.2mm，0.35mm，0.5mm处粘贴应变片，在0.1Hz、-500V~+1500V交变正弦电压下进行驱动应变能力测试，具体数据见表1。
实施例2：
一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，交叉指形电极的正极指部和负极指部交替等间距排列，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维72.5%，高分子聚合物27.5%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化，沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递增后递减，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由45.5%逐渐递增至80.6%，随后再逐渐递减至62.5%；
制备方法，步骤为：
1）固定铌镁酸铅压电单晶，然后利用划片切割机对铌镁酸铅压电单晶进行切割，得到宽度为16 mm，长度为20 mm，厚度为0.25 mm的铌镁酸铅压电单晶薄片，利用锯片厚度为0.12 mm的精细切割机对铌镁酸铅压电单晶薄片沿纵向进行切割，所得相邻纤维之间的间隙为0.12±0.005mm，切割初始位置设定在压电单晶薄片的横向一侧，起始压电纤维的宽度为0.1 mm，随后按照比相邻压电纤维宽度增大0.02 mm进行递增，直至压电纤维宽度为0.5 mm时，再按照比相邻压电纤维宽度减小0.02 mm进行递减，直至最终压电纤维宽度为0.2 mm；
2）利用聚偏氟乙烯填充步骤1）所得铌镁酸铅压电纤维间隙，并同时利用两片正、负电极指部间距为0.7 mm的交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）室温下，将步骤2）封装后材料放置于硅油中，然后施加2.1 kV电压极化15 min，得实施例2梯度压电纤维复合材料，结构如图2所示。
分别在实施例2梯度压电纤维复合材料的压电纤维宽度约为0.36mm，0.5mm处粘贴应变片，在0.1Hz、-500V~+1500V交变正弦电压下进行驱动应变能力测试，具体数据见表1。
实施例3：
一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，交叉指形电极的正极指部和负极指部交替等间距排列，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维67.3%，高分子聚合物32.7%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化，沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递减后递增，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由75%逐渐递减至50%随后再逐渐递增至75%的梯度压电纤维复合材料；
制备方法，步骤为：
1）固定锆钛酸铅陶瓷块体，然后利用划片切割机对锆钛酸铅陶瓷块体进行切割，得到宽度为11 mm，长度为70 mm，厚度为0.20 mm的锆钛酸铅压电薄片，利用锯片厚度为0.20 mm的精细切割机对锆钛酸铅压电薄片沿纵向进行切割，相邻纤维之间的间隙为0.20±0.01mm，起始压电纤维的位置设定在锆钛酸铅压电薄片的横向一侧，起始压电纤维的宽度为0.6 mm，之后按照比相邻压电纤维宽度减小0.05 mm进行递减，直至压电纤维宽度为0.2 mm时，再按照比相邻压电纤维宽度增加0.05 mm进行递增至0.6 mm；
2）利用高粘度树脂E-120HP填充步骤1）所得锆钛酸铅压电纤维间隙，并同时利用两片正、负电极指部间距为0.7 mm的交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）室温下，将步骤2）封装后材料放置于硅油中，然后施加2.1 kV电压进行极化15min，得实施例3梯度压电纤维复合材料，结构如图3所示。
分别在实施例3梯度压电纤维复合材料的压电纤维宽度约为0.5mm，0.35mm，0.5mm处粘贴应变片，在0.1Hz、-500V~+1500V交变正弦电压下进行驱动应变能力测试，具体数据见表1。
对比例1：压电纤维和高分子聚合物等距交替排列
1）固定锆钛酸铅陶瓷块体，然后利用划片切割机对锆钛酸铅陶瓷块体进行切割，得到宽度为15.5 mm，长度为90 mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅压电陶瓷薄片，利用锯片厚度为0.07 mm的精细切割机对锆钛酸铅压电陶瓷薄片沿纵向进行切割，相邻纤维之间的间隙为0.07±0.005mm，压电纤维的宽度为0.35 mm；
2）利用低粘度环氧树脂2020填充步骤1）所得锆钛酸铅压电纤维间隙，并同时利用两片正、负电极指部间距为0.7mm的交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）对放置于室温硅油中的压电纤维复合材料施加2.1 kV电压极化15 min，得对比例1梯度压电纤维复合材料，结构如图4所示。
沿对比例1压电纤维复合材料横向方向分别粘贴三个应变片，在0.1Hz、-500V~+1500V交变正弦电压下进行驱动应变能力测试，具体数据见表1。
表1 不同结构型式压电纤维复合材料的驱动性能
Claims (10)
1.一种梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，所述交叉指形电极的正极指部和负极指部交替等间距排列，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述压电纤维和高分子聚合物的总体积百分比组成为压电纤维45～90%，高分子聚合物10～55%，压电纤维和高分子聚合物交替排列，单根压电纤维的体积分数沿梯度压电纤维复合材料的横向方向呈连续梯度变化；所述压电纤维与交叉指形电极的正极指部和负极指部均为垂直排列，且交叉指形电极的单根电极指部覆盖压电纤维和高分子聚合物的表面。
2.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度逐渐递减，表现为单根压电纤维在由其本身及相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值A逐渐递减至数值B的梯度压电纤维复合材料，其中，90%≥A＞B≥45%。
3.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递增后递减，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值B逐渐递增至数值A随后再逐渐递减至数值b的梯度压电纤维复合材料，其中，90%≥A＞B≥45%，90%≥A＞b≥45%。
4.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的横向方向，单根压电纤维的宽度先递减后递增，表现为单根压电纤维在由其本身及其相邻一侧的高分子聚合物构成的结构单元中的体积分数由数值A逐渐递减至数值B随后再逐渐递增至数值a的梯度压电纤维复合材料，其中，90%≥A＞B≥45%，90%≥a＞B≥45%。
5.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述压电纤维的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物。
6.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述高分子聚合物为热固性树脂。
7.根据权利要求1所述的梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述交叉指形电极为单面印刷的柔性线路板。
8.一种权利要求1-7的任一权利要求所述梯度压电纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
1）将压电块体材料固定，然后切割为压电薄片，再将压电薄片沿纵向方向切割得到横向方向上宽度呈连续梯度变化的压电纤维；
2）在步骤1）所得压电纤维间隙中填充高分子聚合物，同时用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖上下表面进行封装；
3）对封装后材料进行极化处理，得到梯度压电纤维复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述压电薄片的厚度为0.15～0.4 mm，宽度为5～40.0 mm，长度为5～150 mm；所述压电纤维的厚度为0.15～0.4mm，宽度为0.05～0.6 mm，长度为5～150 mm；步骤2）中，所述压电纤维的间隙为0.05～0.3mm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述极化处理方法为室温硅油中按照2.5～3.5 kV/mm×相邻正、负电极指部间距施加极化电压，极化时间为10～40min。
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