CN107068852A - 一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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王�锋
付争兵
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Abstract

本发明提供了一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。该应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，提高复合材料的服役周期和稳定性。

Description

一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁电复合材料领域，具体而言，涉及一种应用于能量采集的磁电复合材料结构及其制备方法。
背景技术
磁致伸缩材料是一类基于磁能与机械能之间相互转换的智能材料，可以将环境中电磁能转换成机械能。压电晶体材料是一类基于机械能与电能之间相互转换的智能材料，可以捕获环境中不被利用的振动能或声波能等转换成可利用的电能，实现能源的循环利用。
磁电复合材料材料是一类以机械能为能量传递介质，基于磁能与电能之间转换的智能结构复合材料，由具备机械能与电能之间互相转换的压电材料和磁能与机械能之间转换的磁致伸缩材料复合而成。由于其独特的磁电耦合性能，且具备磁电转换效率高、易于集成和可设计性强等优点，磁电复合材料在驱动、传感、结构健康监测和能量采集等众多领域具有广泛的应用前景。
在无线通讯高速发展的今天，环境中充斥着大量无线通讯基站，由此产生大量的不被充分利用的电磁波，利用磁电复合材料可以实现将空间中电磁能转变成可以用电能，并加以重复利用，可以节约能源，同时降低电磁污染。
将磁电复合材料置于交变的磁场中，由于磁致伸缩效应，复合材料中的磁致伸缩材料产生周期性伸缩振动，并将振动通过应力传输至压电晶体材料，从而使复合材料中的压电晶体材料也产生相应的伸缩振动，通过压电效应使压电晶体材料产生电能，实现磁能与电能之间的转换，达到同时采集环境中振动能和磁能转并换成可利用电能之目的。然而，现有磁电复合材料，降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间容易发生脱粘和脆裂，降低其使用寿命。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种应用于能量采集的磁电复合材料，以解决现有磁电复合材料中的降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间容易发生脱粘和脆裂、使用寿命低的问题。所述的应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，进一步提高复合材料的服役周期和稳定性。
本发明的第二目的在于提供一种所述的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，该方法对挤制成型模具进行设计或机械加工打孔，可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状磁致伸缩材料，采用模压成型技术或切割法，可以很容易制备出与蜂窝状磁致伸缩材料结构匹配的柱状压电晶体材料阵列，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备，具有方便、简单、易于操作等优点，适合批量生产。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种应用于能量采集的磁电复合材料，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。
进一步地，所述磁致伸缩材料层的通孔的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。
进一步地，所述磁致伸缩材料层的厚度不小于50μm；
更进一步地，所述磁致伸缩材料层的材料为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料或者巨磁致伸缩材料中的一种。
进一步地，所述压电晶体材料柱的横截面形状与所述通孔的横截面形状相匹配；
进一步地，所述通孔的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。
进一步地，所述压电晶体材料柱与所述通孔同轴设置。
进一步地，所述磁致伸缩材料层的横截面积不小于1cm2；所述通孔的横截面积不小于300μm2。
进一步地，所述压电晶体柱的材料为压电陶瓷材料或者压电单晶材料中的一种；
更进一步地，所述压电陶瓷材料为PZT、BT或者KNN体系中的一种；
更进一步地，所述压电单晶材料PMNT或者PZNT体系中的一种。
进一步地，所述聚合物填充层的厚度不小于50μm；
更进一步地，所述聚合物填充层的材料为热固性树脂，优选的热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂中的一种。
进一步地，所述的电极层的材料为Cu、Au或Ag中的一种。
如上所述的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构，将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构，且列阵中每个压电晶体材料柱与蜂窝状的磁致伸缩材料层中的柱型通孔一一对应；
(2)、将压电晶体材料柱的列阵嵌入蜂窝状磁致伸缩材料层的柱型通孔中，且所述柱型通孔与压电晶体材料柱的轴心位置重叠，将聚合物胶液填充入压电晶体材料柱与磁致伸缩材料层之间的空隙之中，经真空固化获得磁电复合结构；
(3)、将固化后的磁电复合结构沿厚度方向进行切割，获得片状磁电复合材料，在压电晶体材料柱的两个底面镀覆电极层，并分别对磁致伸缩材料和压电晶体材料进行磁化和极化处理，即该应用于能量采集的磁电复合材料结构；
进一步地，在步骤(1)中，所述将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构的过程中，采用的制备方法为挤出成型法或者采用机械加工打孔的方法；
进一步地，所述将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构的过程中，采用的制备方法为模压法或切割法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，进一步提高复合材料的服役周期和稳定性。
(2)本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，具有方便、简单、易于操作等优点，适合批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的应用于能量采集的磁电复合材料的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的应用于能量采集的磁电复合材料的结构示意图；
图3为图1所示的应用于能量采集的磁电复合材料涂覆电极后的结构示意图；
附图标记：
1-磁致伸缩材料层； 2-通孔；
3-压电晶体材料柱； 4-填充层；
5-电极。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种应用于能量采集的磁电复合材料，包括磁化的磁致伸缩材料层1和极化的压电晶体材料柱3，所述磁致伸缩材料层1具有蜂窝状排列的通孔2结构，所述压电晶体材料柱3贯穿设置于所述磁致伸缩材料层1的通孔2内，所述压电晶体材料柱3的两端与所述磁致伸缩材料层1的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱3与所述磁致伸缩材料层1之间填充有聚合物填充层4，所述压电晶体材料柱3的两端镀覆电极5。
本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，磁致伸缩材料层1制备为蜂窝状，其通孔2可以为任意形状，也可以为单一特定形状。通孔2的分布可以为均匀分布、列阵分别和非均匀任意分布。通孔2内置等高的压电晶体材料柱3，压电晶体材料柱3的形状也可以任意设置，可以为特定形状，也可以为不规则形状。两种材料之间设置有机聚合物填充层4。
进一步地，所述磁致伸缩材料层1的通孔2的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。
由图1可见，磁致伸缩材料层1的通孔2设置优先为列阵设置。
进一步地，所述磁致伸缩材料层1的厚度不小于50μm；
更进一步地，所述磁致伸缩材料层1的材料为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料或者巨磁致伸缩材料中的一种。
磁致伸缩材料层1不能过薄，否则压电晶体材料柱3容易与之脱离。并且对其材料进行进一步的优选。
进一步地，所述压电晶体材料柱3的横截面形状与所述通孔2的横截面形状相匹配。如图1所示。
进一步地，所述通孔2的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。
如图2所示，通孔2和压电晶体材料柱3的截面也可以为多边形(正方形)等。
进一步地，所述压电晶体材料柱3与所述通孔2同轴设置。
压电晶体材料柱3与通孔2同轴设置，如图2和图3所示。
进一步地，所述磁致伸缩材料层1的横截面积不小于1cm2；所述通孔2的横截面积不小于300μm2。
磁致伸缩材料层1的横截面积不小于1cm2，通孔2的横截面积不小于300μm2，否则无法设置足够的压电晶体柱。
进一步地，所述压电晶体柱的材料为压电陶瓷材料或者压电单晶材料中的一种；
更进一步地，所述压电陶瓷材料为PZT、BT或者KNN体系中的一种；
更进一步地，所述压电单晶材料PMNT或者PZNT体系中的一种。
进一步地，所述聚合物填充层4的厚度不小于50μm；
聚合物填充层4太薄容易造成磁致伸缩材料与压电晶体材料开裂，不能起到很好的粘贴和固定作用。
更进一步地，所述聚合物填充层4的材料为热固性树脂，优选的热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂中的一种。
进一步地，所述的电极5层的材料为Cu、Au或Ag中的一种。
如图3所示，在压电晶体材料柱3的两端镀覆电极5，电解材料可以采用Cu、Au或Ag中的一种。
实施例1
本实施例所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，以PZT体系压电晶体材料，CoFe2O4体系磁致伸缩材料，其制备方法具体包括以下步骤：
(1)铁氧体CoFe2O4为原材料，采用传统的固相合成法制备截面为圆形的蜂窝状磁致伸缩材料，直径和高度分别为32mm和30mm，孔隙截面为圆形，孔隙直径为4mm，孔隙数目为25，孔隙为5×5的列阵，周期性均匀分布；
(2)以PZT压电陶瓷粉体为原材料，采用模压法制备压电陶瓷阵列，陶瓷柱直径和高度分别为3mm和30mm，阵列中陶瓷柱数目25，位置与蜂窝状磁致伸缩材料孔隙共轴；
(3)将步骤(2)所得的压电陶瓷阵列嵌入到步骤(1)所制备的蜂窝状磁致伸缩材料的孔隙中，在压电陶瓷柱与磁致伸缩材料的间隙之中浇注环氧树脂结构胶，并于真空烘箱中进行固化，及获得磁电复合结构；
(4)将步骤(3)所制备的磁电复合结构沿厚度方向进行切割，调整切割的刀距，使切割后片状磁电复合结构厚度为3mm，采用磁控溅射法在样品两个切割面中压电陶瓷的两个节目镀覆Cu电极，分别对压电陶瓷和磁致伸缩材料进行极化和磁化处理，即获得磁电复合材料，样品直径32mm，厚度3mm，压电陶瓷体积分数为22％。
实施例2
本实施例所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，以PMnS体系压电晶体材料，TbFe2体系磁致伸缩材料，其制备方法具体包括以下步骤：
(1)以TbFe2合金为原材料，采用粉末冶金法制备截面为圆形的蜂窝状磁致伸缩材料，直径和高度分别为34mm和30mm，孔隙截面为矩形，孔隙边长为4mm，孔隙数目为25，孔隙为5×5的列阵，周期性均匀分布；
(2)以PMnS压电陶瓷粉体为原材料，采用干压成型法制备压电陶瓷块体，采用切割法将压电陶瓷块体制备成压电陶瓷阵列，阵列中陶瓷柱界面为矩形，边长和高度分别为2.5mm和30mm，阵列中陶瓷柱数目25，位置与蜂窝状磁致伸缩材料孔隙共轴；
(3)将步骤(2)所得的压电陶瓷阵列嵌入到步骤(1)所制备的蜂窝状磁致伸缩材料的孔隙中，在压电陶瓷柱与磁致伸缩材料的间隙之中浇注环氧树脂结构胶，并于真空烘箱中进行固化，及获得磁电复合结构；
(4)将步骤(3)所制备的磁电复合结构沿厚度方向进行切割，调整切割的刀距，使切割后片状磁电复合结构厚度为3mm，采用丝网印刷法在两个切割面中压电陶瓷的两个截面处镀覆Ag电极，分别对压电陶瓷和磁致伸缩材料进行极化和磁化处理，即获得磁电复合材料，样品直径34mm，厚度3mm，压电陶瓷体积分数为17％。
综上所述，本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，进一步提高复合材料的服役周期和稳定性。本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，该方法对挤制成型模具进行设计或机械加工打孔，可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状磁致伸缩材料，采用模压成型技术或切割法，可以很容易制备出与蜂窝状磁致伸缩材料结构匹配的柱状压电晶体材料阵列，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备，具有方便、简单、易于操作等优点，适合批量生产。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。
2.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的通孔的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。
3.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料结构，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的厚度不小于50μm；
优选的，所述磁致伸缩材料层的材料为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料或者巨磁致伸缩材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体材料柱的横截面形状与所述通孔的横截面形状相匹配；
优选的，所述通孔的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。
5.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体材料柱与所述通孔同轴设置。
6.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的横截面积不小于1cm2；所述通孔的横截面积不小于300μm2。
7.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体柱的材料为压电陶瓷材料或者压电单晶材料中的一种；
优选的，所述压电陶瓷材料为PZT、BT或者KNN体系中的一种；
优选的，所述压电单晶材料PMNT或者PZNT体系中的一种。
8.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述聚合物填充层的厚度不小于50μm；
优选的，所述聚合物填充层的材料为热固性树脂，优选的热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂中的一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述的电极层的材料为Cu、Au或Ag中的一种。
10.根据权利要求1-9任一项所述的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构，将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构，且列阵中每个压电晶体材料柱与蜂窝状的磁致伸缩材料层中的柱型通孔一一对应；
(2)、将压电晶体材料柱的列阵嵌入蜂窝状磁致伸缩材料层的柱型通孔中，且所述柱型通孔与压电晶体材料柱的轴心位置重叠，将聚合物胶液填充入压电晶体材料柱与磁致伸缩材料层之间的空隙之中，经真空固化获得磁电复合结构；
(3)、将固化后的磁电复合结构沿厚度方向进行切割，获得片状磁电复合材料，在压电晶体材料柱的两个底面镀覆电极层，并分别对磁致伸缩材料和压电晶体材料进行磁化和极化处理，即该应用于能量采集的磁电复合材料结构；
优选的，在步骤(1)中，所述将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构的过程中，采用的制备方法为挤出成型法或者采用机械加工打孔的方法；
优选的，所述将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构的过程中，采用的制备方法为模压法或切割法。
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