CN108493324B - 一种双晶片结构压电纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双晶片结构压电纤维复合材料，由上交叉指形电极、中间交叉指形电极、下交叉指形电极交叉指形、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物交替排列，交替排列的压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的厚度方向上为两层排布。本发明双晶片结构压电纤维复合材料，具有高柔韧性及优异的压电驱动特性，可以提供大量程的驱动变形能力；双晶片结构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，双晶片结构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，涉及一种双晶片结构压电纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷作为应用广泛的一类功能陶瓷材料，具有压电系数高、机电耦合性能好、响应速度快、精度高、稳定性好等优点，被广泛应用于超声马达、激光束偏转器、自适应光学系统等领域。双晶片型压电陶瓷由一弹性金属薄片和粘贴于其两侧的压电陶瓷构成。当对金属片和其两侧的表面电极加以适当的电压时，一侧压电晶片在垂直方向伸长而在水平方向收缩，同时另一侧压电陶瓷则在水平方向伸长而在垂直方向收缩，从而使得双晶片型压电陶瓷产生变形，较单片压电陶瓷，双晶片型压电陶瓷大大增大了变形输出位移及控制力。但是，压电陶瓷自身固有的一些缺点限制了其在诸多领域的应用，如脆性较大，不易做成大平面薄片结构且难以承受机械冲击和非对称应力；密度大、硬度高，难以与结构主体匹配，易对粘合后的结构主体力学性能产生较大影响，难以提供大范围驱动力等。
为了克服压电陶瓷的上述缺点，将压电陶瓷与聚合物材料以一定联通方式进行复合得到的压电复合材料应运而生。压电复合材料中的压电陶瓷保证了复合材料的压电性能，而主要起粘结作用的聚合物基体则降低了复合材料的介电常数和密度，从总体而言压电复合材料既克服了压电陶瓷的脆性又避免了聚合物材料的温度限制。其中，由交叉指形电极、压电陶瓷纤维及聚合物基体构成的压电纤维复合材料自1997年被提出以来，因其具有低的驱动电压、高的驱动力、各向异性驱动特性、厚度薄、重量轻及可进行大幅度弯曲和扭转、容易作为附加结构粘贴到复杂结构上等结构及性能优势，极大地拓宽了压电器件的应用领域。目前，压电纤维复合材料作为驱动器已被应用于飞机垂尾、可充气天线结构、可展开桅杆、无人机机翼等各类大型结构的振动及形状控制。
压电纤维复合材料中交叉指形电极诱导极化电场和驱动电场均沿纤维长度方向分布，大大降低了外加极化电压和驱动电压大小，更为重要的是，该结构利用了压电纤维复合材料的d33压电效应，大大提高了复合材料的驱动能力，较通常使用的d31型压电复合材料性能提高了一倍多。但与形状记忆合金等其他类型的驱动器相比，压电纤维复合材料的驱动力还是小得多。为了使压电纤维复合材料驱动器在主体结构上进行应用时提供尽可能大的驱动力，普遍采取的解决办法是将两片压电纤维复合材料分别粘贴于主体结构的上、下两个表面以构成双晶片结构。但即便如此，两片压电纤维复合材料所提供的驱动力与形状记忆合金所提供的驱动力相比仍有较大差距。
目前，广泛应用的压电纤维复合材料中压电纤维的厚度约为175 μm，此厚度的压电纤维既保证了复合材料的高柔韧性，同时又保证了将压电陶瓷纤维封装成复合材料过程的成品率。据研究报道，减小压电纤维厚度，一方面可以提高压电纤维中有效电场强度进而增大其驱动能力，另一方面纤维厚度减小会同时增大复合材料的柔韧性。综合这两方面因素可知，减小压电纤维厚度会在一定程度上改善压电纤维复合材料的驱动性能，但当压电纤维厚度过小时，压电纤维制备及后续将其封装成压电纤维复合材料会极大地增大操作过程的难度系数，造成压电纤维复合材料的成品率大幅下降。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种双晶片结构压电纤维复合材料，是一种具有结构紧凑、大驱动力且具有各向异性驱动特性的单片柔性压电纤维复合材料。
本发明的一种双晶片结构压电纤维复合材料，由交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述交叉指形电极共有三个，分别为上电极、中间电极和下电极，其中上电极和下电极均为单面柔性线路板，中间电极为双面柔性线路板，上电极和中间电极的上表面电极为镜面对称结构，下电极和中间电极的下表面电极为镜面对称结构，中间电极的上表面电极和下表面电极为镜面反对称结构；所述压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的宽度方向交替排列；所述交替排列的压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的厚度方向上为两层排布；所述压电纤维复合材料的结构，由上到下依次为上电极、交替排列的压电纤维和高分子聚合物、中间电极、交替排列的压电纤维和高分子聚合物、下电极。
所述上电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于其上的电极层构成的单面印刷柔性线路板。
所述下电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于其上的电极层构成的单面印刷柔性线路板。
所述中间电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于其上的电极层构成的双面印刷柔性线路板。
所述压电纤维的材料为压电陶瓷或压电单晶。
所述高分子聚合物为热固性树脂。
本发明双层结构的压电纤维复合材料的制备方法，步骤包括：
1）将压电块体材料切割为压电薄片，并将压电薄片沿纵向方向切割得到横向方向上宽度一致的压电纤维。
2）采用刻蚀工艺分别得到上电极和下电极所用单面交叉指形电极线路板，中间电极所用双面交叉指形电极线路板。
3）在步骤1）制备的压电纤维间隙中填充高分子聚合物得到交替排列的压电纤维/高分子复合物，按照由上到下依次为上电极、交替排列的压电纤维/高分子复合物、中间电极、交替排列的压电纤维/高分子复合物、下电极的顺序，用三片交叉指形电极对交替排列的压电纤维/高分子复合物进行封装得到双晶片结构的压电纤维复合材料。
4）将步骤3）所得双晶片结构的压电纤维复合材料进行极化处理。
步骤1）中，所述压电薄片的厚度为0.15～0.3 mm，宽度为10～60.0 mm，长度为25～150 mm。
步骤1）中，所述压电纤维的厚度为0.15～0.3 mm，宽度为0.15～0.3 mm，长度为25～150 mm。
步骤1）中，所述压电纤维间隙为0.05～0.2 mm。
步骤2）中，所述高分子聚合物材料为热固性树脂。
步骤3）中，所述交叉指形电极的电极指间距为0.5～1.5 mm。
步骤3）中，所述交叉指形电极的电极宽度为0.06～0.10 mm。
步骤5）中，所述极化处理方法为：将双晶片结构的压电纤维复合材料置于室温硅油中，按照2.5～3.5 kV/mm×相邻正、负电极指部间距施加极化电压，对上电极和中间电极的上表面施加直流电压，同时对上电极和中间电极的上表面施加反向直流电压，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复合材料相比，本发明压电纤维复合材料在厚度方向上压电纤维为双晶片结构，可以提供大量程的变形能力，保证了压电纤维复合材料具有优异的压电驱动特性及高的柔韧性；双晶片压电纤维复合材料集压电纤维、高分子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，双晶片结构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 为双晶片结构压电纤维复合材料的整体结构示意图。
图2 为双晶片结构压电纤维复合材料的横向断面结构示意图。
图3 为双晶片结构压电纤维复合材料的纵向断面结构示意图。
图4 为单层结构压电纤维复合材料的纵向断面结构示意图。
图中：1、上电极基板，2、上电极的电极层，3、压电纤维，4、高分子聚合物，5、中间电极的上电极层，6、中间电极的下电极层，7、中间电极基板，8、下电极的电极层，9、下电极基板。
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：
1.利用切割机对锆钛酸铅P-51陶瓷块体进行切割，得到宽度为37 mm，长度为80mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅P-51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P-51压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.07 mm和0.2 mm的压电纤维。
2.分别在厚度为0.07 mm的单面覆铜板上采用刻蚀工艺得到交叉指形电极线路板的上电极和下电极，在厚度为0.1 mm的双面覆铜板上采用刻蚀工艺得到双面交叉指形电极线路板的中间电极，其中中间电极的上表面和下表面呈镜面反对称结构，交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.08 mm，相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距为0.8 mm。
3.将树脂2020分别填充于两片锆钛酸铅P-51压电纤维间隙中得到压电纤维/树脂复合物，将这两片复合物分别置于中间电极的上、下表面，在60℃和20MPa的压力下维持20min以进行半固化封装，随后将上电极和下电极分别覆盖于压电纤维/树脂复合物的另一表面，将整体结构在20MPa压力和70℃下保持40min，使树脂完全固化，得到双晶片结构压电纤维复合材料。
4.将双晶片结构压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2.4 kV的直流电压保压30 min进行极化，放置1 h后测试双晶片结构压电纤维复合材料的应变性能，其中对上电极和中间电极上表面之间的压电纤维施加正向极化电压，同时对处于镜面位置的下电极和中间电极下表面之间的压电纤维施加反向极化电压。
5.将双晶片结构压电纤维复合材料粘贴于长为350mm，宽为50mm，厚为2mm的钢板悬臂梁的固定端，在电压峰峰值为1000V、频率为0.1 Hz的交变正弦电压下测试悬臂梁自由端的振幅为15.5mm。
实施例2：
1.利用切割机对铌镁酸铅压电单晶进行切割，得到宽度为18 mm，长度为20 mm，厚度为0.2 mm的铌镁酸铅压电单晶薄片；利用锯片厚度为0.1 mm的精细切割机对铌镁酸铅压电单晶薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.1 mm和0.35mm的压电纤维。
2.分别在厚度为0.07 mm的单面覆铜板上采用刻蚀工艺得到交叉指形电极线路板的上电极和下电极，在厚度为0.1 mm的双面覆铜板上采用刻蚀工艺得到双面交叉指形电极线路板的中间电极，其中中间电极的上表面和下表面呈镜面反对称结构，交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.06 mm，相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距为0.1 mm。
3.将树脂AV138M分别填充于两片铌镁酸铅压电单晶纤维间隙中得到压电纤维/树脂复合物，将这两片复合物分别置于中间电极的上、下表面，在50℃和10MPa的压力下维持30min以进行半固化封装，随后将上电极和下电极分别覆盖于压电纤维/树脂复合物的另一表面，将整体结构在10MPa压力和80℃下保持55min，使树脂完全固化，得到双晶片结构压电纤维复合材料。
4.将双晶片结构压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加3.0kV的直流电压保压30 min进行极化，放置1 h后测试双晶片结构压电纤维复合材料的应变性能，其中对上电极和中间电极上表面之间的压电纤维施加正向极化电压，同时对处于镜面位置的下电极和中间电极下表面之间的压电纤维施加反向极化电压。
5.将双晶片结构压电纤维复合材料粘贴于长为350mm，宽为50mm，厚为2mm的钢板悬臂梁的固定端，在电压峰峰值为1000V、频率为0.1 Hz的交变正弦电压下测试悬臂梁自由端的振幅为24.1mm。
实施例3：
1.利用切割机对锆钛酸铅P-5H压电陶瓷进行切割，得到宽度为60 mm，长度为80.0mm，厚度为0.3 mm的锆钛酸铅P-5H压电陶瓷薄片；利用锯片厚度为0.15 mm的精细切割机对锆钛酸铅P-5H压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.15mm和0.25 mm的压电纤维。
2.分别在厚度为0.07 mm的单面覆铜板上采用刻蚀工艺得到交叉指形电极线路板的上电极和下电极，在厚度为0.1 mm的双面覆铜板上采用刻蚀工艺得到双面交叉指形电极线路板的中间电极，其中中间电极的上表面和下表面呈镜面反对称结构，交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.06 mm，相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距为0.7 mm。
3.将树脂E-120HP分别填充于两片锆钛酸铅P-5H压电陶瓷纤维间隙中得到压电纤维/树脂复合物，将这两片复合物分别置于中间电极的上、下表面，在50℃和10MPa的压力下维持30min以进行半固化封装，随后将上电极和下电极分别覆盖于压电纤维/树脂复合物的另一表面，将整体结构在10MPa压力和80℃下保持90min，使树脂完全固化，得到双晶片结构压电纤维复合材料。
4.将双晶片结构压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2.1 kV的直流电压保压30 min进行极化，放置1 h后测试双晶片结构压电纤维复合材料的应变性能，其中对上电极和中间电极上表面之间的压电纤维施加正向极化电压，同时对处于镜面位置的下电极和中间电极下表面之间的压电纤维施加反向极化电压。
5.将双晶片结构压电纤维复合材料粘贴于长为350mm，宽为50mm，厚为2mm的钢板悬臂梁的固定端，在电压峰峰值为1000V、频率为0.1 Hz的交变正弦电压下测试悬臂梁自由端的振幅为19.8mm。
对比例1：单层结构压电纤维复合材料
1.利用切割机对锆钛酸铅P-51陶瓷块体进行切割，得到宽度为37 mm，长度为80mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅P-51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P-51压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.07 mm和0.2 mm的压电纤维。
2.分别在厚度为0.07 mm的单面覆铜板上采用刻蚀工艺得到交叉指形电极线路板的上电极和下电极，其中交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.08 mm，相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距为0.8 mm。
3.将树脂2020填充于锆钛酸铅P-51压电纤维间隙中得到压电纤维/树脂复合物，将上电极和下电极覆盖于压电纤维/树脂复合物的上、下表面，将整体结构在20MPa压力和70℃下保持40min，使树脂完全固化，得到普通压电纤维复合材料。
4.将普通压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2.1 kV的直流电压保压30min进行极化，放置1 h后测试双晶片结构压电纤维复合材料的应变性能。
5.将普通压电纤维复合材料粘贴于长为350mm，宽为50mm，厚为2mm的钢板悬臂梁的固定端，在电压峰峰值为1000V、频率为0.1 Hz的交变正弦电压下测试悬臂梁自由端的振幅为11.2 mm。
Claims (7)
1.一种双晶片结构压电纤维复合材料，由交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述交叉指形电极共有三个，分别为上电极、中间电极和下电极；所述压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的宽度方向交替排列；交替排列的压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的厚度方向上为两层排布，单向排列；所述压电纤维复合材料的结构，由上到下依次为上电极、交替排列的压电纤维和高分子聚合物、中间电极、交替排列的压电纤维和高分子聚合物、下电极；上电极和中间电极的上表面电极为镜面对称结构，下电极和中间电极的下表面电极为镜面反对称结构，中间电极的上表面电极和下表面电极为镜面对称结构；
所述交叉指形电极的中间电极为双面柔性线路板。
2.根据权利要求1所述的双晶片结构压电纤维复合材料，其特征在于：所述交叉指形电极为正极和负极交叉排列的电极。
3.根据权利要求1所述的双晶片结构压电纤维复合材料，其特征在于：所述交叉指形电极的上电极和下电极为单面柔性线路板。
4.根据权利要求1所述的双晶片结构压电纤维复合材料，其特征在于：所述压电纤维的材料为压电陶瓷或压电单晶。
5.根据权利要求1所述的双晶片结构压电纤维复合材料，其特征在于：所述高分子聚合物为热固性树脂。
6.一种双晶片结构压电纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法制备权利要求1~5任一权利要求所述的双晶片结构压电纤维复合材料，步骤包括：将压电块体材料切割为压电薄片，再将压电薄片沿纵向方向切割得到压电纤维；采用刻蚀工艺分别得到单面交叉指形电极线路板和双面交叉指形电极线路板；在压电纤维间隙中填充高分子聚合物，用两个单面交叉指形电极和一个双面交叉指形电极对两片压电纤维进行封装得到双晶片结构压电纤维复合材料；对双晶片结构压电纤维复合材料进行极化处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述压电薄片的厚度为0.15～0.3mm，宽度为10～60.0 mm，长度为25～150 mm；所述压电纤维的厚度为0.15～0.3 mm，宽度为0.15～0.3 mm，长度为25～150 mm；所述压电纤维的间隙为0.05～0.2 mm；所述交叉指形电极的电极指间距为0 .5～1 .5 mm；所述交叉指形电极的电极宽度为0.06～0.10 mm；所述单面交叉指形电极线路板的厚度为0.05mm～0.10 mm；所述双面交叉指形电极线路板的厚度为0.05mm～0.10mm 。
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