CN109742228B - 一种压电复合材料及驱动器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电复合材料及驱动器的制备方法。该制备方法包括：将压电材料粘贴在切割板上；采用线切割机将压电材料切割成第一设定厚度的薄片状压电材料，记为第一薄片状压电材料；对第一薄片状压电材料进行抛光打磨，获得第二设定厚度的薄片状压电材料，记为第二薄片状压电材料；将第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上，并采用绷盘固定；对切割承载膜上的第二薄片状压电材料进行机械切割，制得压电相体积分数连续可调的压电阵列；采用聚合物基体对压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注，并固化成型；取下切割承载膜，得到压电复合材料。本发明提供的压电复合材料及驱动器的制备方法具有制备工艺简单、效率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及压电复合材料的制备技术领域，特别是涉及一种压电复合材料的制备方法以及采用该压电复合材料的驱动器的制备方法。
背景技术
压电复合材料是由压电陶瓷、单晶与聚合物、金属等复合而成的多相材料，综合了压电陶瓷和基体等各相的特点，具有介电常数小、密度低、韧性好等特点。自1978年美国宾州州立大学材料实验室的Newnham提出压电复合材料的概念以来，压电复合材料经历了40多年的发展历史，目前，其理论、制备工艺和应用开发均取得很大的进展，可通过选择不同的组分材料和采取适当的复合结构，制作成性能多样的压电复合材料，以满足不同的应用需求。其中，1-3型、2-2型及多基元型压电复合材料在克服压电晶体材料脆性大和柔韧性差等不足的同时，具有高灵敏度、高频率响应、单向性能突出和可设计性强等特点，广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康监测和能量采集等众多领域。
目前，1-3型、2-2型及多基元型压电复合材料的制备方法主要有如下几种：排列-浇注法、流延-层压法和切割-浇注-减薄法。其中，排列-浇注法需先制造出压电陶瓷柱，然后依照预定的体积含量及特定的排列分布，将压电陶瓷柱排布在预制模具中；再将聚合物基体例如环氧树脂灌入模具中，高温固化后脱模，最后将多余的环氧树脂及基底切掉，磨制成所需厚度，两面备电极、极化，以形成压电复合材料。流延-层压法制备压电复合材料主要包括两步：首先，采用流延法制备不同厚度的压电陶瓷或压电单晶薄层(统称压电薄层)；同时，采用热压法制备不同厚度的热固性聚合物薄层，并切割聚合物薄层使其在长度和宽度上与压电薄层一致；然后，由下而上将压电薄层和聚合物薄层交替堆叠并对齐，在压电薄层和聚合物薄层之间涂覆聚合物胶液，并采用热压法将上述堆叠体热压固化，得到2-2型压电复合结构；最后，根据成品压电复合结构层的厚度要求，将2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割。切割-浇注-减薄法是将压电陶瓷块固定在工作台上，用高速旋转的金钢砂轮或者刀片按要求在陶瓷上切割出沟槽；然后向切缝中浇注聚合物，待聚合物完全固化后按所需厚度切下，或者将未切穿陶瓷基去除后即可制成所需压电复合材料。切割-浇注-减薄法具有如下特点，工艺简单，易于控制，可以通过调整切割刀片和技术参数来控制压电复合材料中压电相和聚合物相的体积比和厚度等参数；制作的压电复合材料结构非常均匀，成品的重复性好，可实现大规模生产，是目前应用较广泛的压电复合材料制备方法。
在上述三种常见制备方法中，排列-浇注法制备工序复杂，压电陶瓷相的脆性引起的损失率高，不易大量生产；流延-层压法方法工序多，堆叠过程中损失率较高，成品两相界面结合不好，且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。切割-浇注-减薄法虽然具有工艺简单，可实现大规模生产的优点，也存在明显不足：若切割时压电陶瓷完全切透，则取下时压电陶瓷柱会分散，需要手工重新排列；如果不切透，在浇注聚合物基体之后再进行切割，会因切割加工过程中大的机械冲击振动造成压电相与聚合物相的界面结合出现问题，无法切出大片完整压电陶瓷/聚合物复合材料，更无法制作较薄的压电复合材料，同时，增加的后续减薄工艺会使整个制备过程复杂化，效率低下，同时浪费原材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电复合材料及驱动器的制备方法，具有制备工艺简单、效率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压电复合材料的制备方法，包括：
将压电材料粘贴在切割板上；
采用线切割机将所述压电材料切割成第一设定厚度的薄片状压电材料，记为第一薄片状压电材料；
对所述第一薄片状压电材料进行抛光打磨，获得第二设定厚度的薄片状压电材料，记为第二薄片状压电材料；
将所述第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上，并采用绷盘固定；
对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割，制得压电相体积分数连续可调的压电阵列；
采用聚合物基体对所述压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注，并固化成型；
取下切割承载膜，得到压电复合材料。
可选的，所述压电阵列中的压电相宽在0.1mm以上连续可调，压电相间距在0.1-1mm内连续可调。
可选的，在所述将所述第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上并采用绷盘固定之后，在所述对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割之前，还包括：
采用加热或降温的方式处理所述切割承载膜、第二薄片状压电材料和绷盘的组合件。
可选的，在所述对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割之后，在所述采用聚合物基体对所述压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注之前，还包括：
将粘贴有所述第二薄片状压电材料的所述切割承载膜放入超声波清洗机中清洗，并吹干。
可选的，所述压电材料为PZT、PMN-PT、KNN、BT系压电陶瓷或压电单晶。
可选的，所述切割承载膜为有机膜。
可选的，所述聚合物基体为热固性树脂。
可选的，所述聚合物基体为环氧树脂基或酚醛树脂基。
可选的，固化成型过程在加压状态下进行，成型压力为0.2MPa-5MPa。
本发明还提供了一种基于本发明提供的压电复合材料的驱动器的制备方法，包括：
将聚合物基体涂覆在基底材料为聚酰亚胺、电极材料为镀锡铜的上叉指型电极上；
将所述上叉指型电极覆盖在浇注有聚合物基体的压电阵列上表面，且叉指电极的有效区域与压电阵列重合，得到第一层合材料；
将所述第一层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物半固化后，冷却取出，撕掉切割承载膜备用；
将聚合物基体涂覆在下叉指型电极以及所述第一层合材料无电极的表面上；
将所述下叉指型电极覆盖在所述第一层合材料无电极的一面，使所述上叉指型电极和所述下叉指型电极镜面对称，得到第二层合材料；
将所述第二层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物固化后，取出修边，得到宏纤维复合材料驱动器；
在宏纤维复合材料驱动器上叉指电极正、负电极端焊接导线，并将其置于低于聚合物基体半固化温度的温度下施加2kV的直流电进行极化处理15-30min。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的压电复合材料采用线切割机对块状压电材料进行切割，得到薄片状压电材料，对薄片状压电材料进行机械切割，制得压电相体积分数连续可调的压电阵列，采用聚合物基体对压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注，并固化成型，取下切割承载膜，得到压电复合材料，采用程序控制加工代替手工排列，可以较为灵活地控制压电相的排布及压电柱的大小，在切割后能保持压电阵列的预定形态，操作便捷，尺寸精确可控，加工自动化程度高；同时，本发明的方法略去了减薄工序，能有效避免薄板在机械切割减薄时机械振动造成的压电相与非压电相界面结合受损问题，能制备出大片超薄压电复合材料，加工质量稳定，成品率高，均一性好。容易实现大片超薄压电复合材料结构与性能系列化制备，操作工序简单，机械自动化程度高，在满足加工要求的同时大大提高了加工效率，适合批量化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例压电复合材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例驱动器的制备方法流程图；
图3为本发明实施例宏纤维复合材料驱动器纵向/横向应变-电压曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明的目的是提供一种压电复合材料及驱动器的制备方法，具有制备工艺简单、效率高的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的压电复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤101：将压电材料粘贴在切割板上；此处的压电材料为长、宽均为5-150mm、厚度为5-20mm的块状压电材料；
步骤102：采用线切割机将压电材料切割成第一设定厚度的薄片状压电材料，记为第一薄片状压电材料；第一设定厚度可以为0.4-2.5mm；
步骤103：对第一薄片状压电材料进行抛光打磨，获得第二设定厚度的薄片状压电材料，并用无水乙醇擦拭其表面，晾干备用，记为第二薄片状压电材料；第二设定厚度为目标大片超薄压电复合材料的厚度；
步骤104：将第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上，并采用绷盘固定；切割承载膜长宽均大于200mm，厚度为0.12-0.35mm的切割承载膜上，保证切割承载膜与薄片状压电材料之间无气泡；尽量保证压电薄片处于绷盘中间位置；
步骤105：对切割承载膜上的第二薄片状压电材料进行机械切割，制得压电相体积分数连续可调的压电阵列；其中，压电阵列中的压电相宽在0.1mm以上连续可调，压电相间距在0.1-1mm内连续可调；设置切割参数，其中包括进刀位置、主轴转速、切割速度、刀片厚度、切割分度、切割留厚、划片行程等，通过计算机控制对压电薄片进行机械切割，制得排布整齐、压电相体积分数连续可调的大片压电阵列；
步骤106：采用聚合物基体对压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注，并固化成型；固化成型过程在加压状态下进行，成型压力为0.2MPa-5MPa；
步骤107：取下切割承载膜，得到压电复合材料。
在步骤104之后，在步骤105之前，还包括：
采用加热或降温的方式处理切割承载膜、第二薄片状压电材料和绷盘的组合件。
在步骤105之后，在步骤106之前，还包括：
将粘贴有第二薄片状压电材料的切割承载膜放入超声波清洗机中清洗，并吹干。
其中，压电材料为PZT、PMN-PT、KNN、BT系压电陶瓷或压电单晶。切割承载膜为有机膜。聚合物基体可以为环氧树脂基或酚醛树脂基等热固性树脂。
图2为本发明实施例驱动器的制备方法流程图，如图2所示，本发明提供的宏纤维复合材料驱动器的制备方法步骤如下：
步骤201：将聚合物基体涂覆在基底材料为聚酰亚胺、电极材料为镀锡铜的上叉指型电极上；叉指间距为0.75mm，指宽为0.1mm；
步骤202：将上叉指型电极覆盖在浇注有聚合物基体的压电阵列上表面，且叉指电极的有效区域与压电阵列重合，得到第一层合材料；
步骤203：将第一层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物半固化后，冷却取出，撕掉切割承载膜备用；
步骤204：将聚合物基体涂覆在下叉指型电极以及第一层合材料无电极的表面上；
步骤205：将下叉指型电极覆盖在第一层合材料无电极的一面，使上叉指型电极和下叉指型电极镜面对称，得到第二层合材料；
步骤206：将第二层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物固化后，取出修边，得到宏纤维复合材料驱动器；
步骤207：在宏纤维复合材料驱动器上叉指电极正、负电极端焊接导线，并将其置于低于聚合物基体半固化温度的温度下施加2kV的直流电进行极化处理15-30min。
实施例2
一种长度为120mm、宽度为80mm、厚度为0.5mm的2-2型超薄压电复合材料，由压电陶瓷纤维与环氧树脂层叠而成，压电相宽为0.2mm，压电相间距为0.1mm，采用以下步骤制备：
(1)将长为120mm、宽为80mm、厚度为10mm的未极化PZT5压电陶瓷块粘在切割板上，置于多线切割机上，调整线切割速度，将压电陶瓷块切割成厚度为0.75mm的压电薄片；
(2)将(1)制得的压电薄片打磨抛光，直至厚度为0.5mm，并用无水乙醇擦拭其表面，晾干备用；
(3)将(2)制得的压电薄片粘贴在长宽均为220mm，厚度为0.35mm的白膜上，保证切割承载膜与压电薄片之间无气泡；
(4)将(3)所得贴有压电薄片的白膜用不锈钢绷盘绷好，尽量保证压电薄片处于绷盘中间位置，将压电薄片/切割承载膜/绷盘组合件加热到100℃保温5min，使压电薄片与切割承载膜紧密贴合；
(5)将(4)中处理好的压电薄片/切割承载膜/绷盘组合件装配到划片切割机上，采用0.1mm厚的切割刀片，沿压电薄片长度方向进行切割，切割分度为0.3mm、切割留厚为0.2mm、切割刀数为200刀；
(6)取下(5)中切割所得压电阵列/切割承载膜，放入超声波清洗机中清洗吹干备用；
(7)用分析天平分别称取50g的E-44环氧树脂、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，混合搅拌抽真空备用；
(8)将(7)中配制好的E44体系环氧树脂浇注进(6)中所得压电阵列，使聚合物基体填满整个压电相间隙，并于100℃，0.5MPa下固化成型；
(9)取出(8)所得浇注体，撕下切割承载膜，即得所需超薄压电复合材料。
以上述超薄压电复合材料作为主动层制备宏纤维复合材料驱动器的步骤是：将配制好的E44体系环氧树脂涂覆在叉指间距为0.75mm，指宽为0.1mm的聚酰亚胺-铜叉指型电极及超薄压电复合材料上；将电极覆盖在压电复合材料上下表面，保证叉指电极的有效区域与压电复合材料长宽重合，上下电极呈镜面对称；将上电极/压电复合材料/下电极层合材料置于压片机上在120℃，0.5MPa下固化成型2h，待聚合物完全固化后，取出修边；在宏纤维复合材料驱动器上叉指电极正、负电极端焊接导线，于室温下施加2kV的直流电进行极化处理15-30min即可。
实施例3
一种长度为100mm、宽度为60mm、厚度为0.35mm的1-3型超薄压电复合材料，由压电陶瓷纤维与环氧树脂层叠而成，压电相宽为0.5mm，压电相间距为0.2mm，采用以下步骤制备：
(1)将长为110mm、宽为70mm、厚度为10mm的未极化PZT5压电陶瓷块粘在切割板上，置于多线切割机上，调整线切割速度，将压电陶瓷块切割成厚度为0.55mm的压电薄片；
(2)将(1)制得的压电薄片打磨抛光，直至厚度为0.35mm，并用无水乙醇擦拭其表面，晾干备用；
(3)将(2)制得的压电薄片粘贴在长宽均为220mm，厚度为0.24mm的白膜上，保证切割承载膜与压电薄片之间无气泡；
(4)将(3)所得贴有压电薄片的白膜用不锈钢绷盘绷好，尽量保证压电薄片处于绷盘中间位置，将压电薄片/切割承载膜/绷盘组合件加热到100℃保温5min，使压电薄片与切割承载膜紧密贴合；
(5)将(4)中处理好的压电薄片/切割承载膜/绷盘组合件装配到划片切割机上，采用0.2mm厚的切割刀片，沿压电薄片长度方向进行切割，切割分度为0.7mm、切割留厚为0.2mm、切割刀数为86刀；然后沿压电薄片宽度方向进行切割，切割分度为0.7mm、切割留厚为0.2mm、切割刀数为158刀；
(6)取下(5)中切割所得压电阵列/切割承载膜，并用刀片将压电阵列裁剪至长度为100mm、宽度为60mm，放入超声波清洗机中清洗吹干备用；
(7)用分析天平分别称取50g的E-44环氧树脂、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，混合搅拌抽真空备用；
(8)将(7)中配制好的E44体系环氧树脂浇注进(6)中所得压电阵列，使聚合物基体填满整个压电相间隙，并于100℃，0.5MPa下固化成型；
(9)取出(8)所得浇注体，撕下切割承载膜，即得所需超薄压电复合材料。
以上述超薄压电复合材料作为主动层制备宏纤维复合材料驱动器的步骤同实施例1。制备所得宏纤维复合材料驱动器的纵向/横向应变-电压曲线见附图3，从图中可以看出，宏纤维复合材料驱动器在幅值为2500V、偏置为750V、频率为0.1Hz的交流电压驱动下纵向应变及横向应变分别为1967.3με和530.5με。
实施例4
一种长度为40mm、宽度为20mm、厚度为0.1mm的2-2型超薄压电复合材料，由压电纤维与环氧树脂层叠而成，压电相宽为0.2mm，压电相间距为0.1mm。将长为40mm、宽为20mm、厚度为10mm的极化PMN-PT压电单晶粘在切割板上，将块状压电单晶切割成厚度为0.25mm的压电薄片，并打磨抛光直至厚度为0.1mm，用无水乙醇擦拭其表面，晾干备用；其余步骤同实施例2。各实施例可相互参照。
本发明的方法采用程序控制加工代替手工排列，可以较为灵活地控制压电相的排布及压电柱的大小，在切割后能保持压电阵列的预定形态，操作便捷，尺寸精确可控，加工自动化程度高；同时，本发明的方法略去了减薄工序，能有效避免薄板在机械切割减薄时机械振动造成的压电相与非压电相界面结合受损问题，能制备出大片超薄压电复合材料，加工质量稳定，成品率高，均一性好。总而言之，本发明的方法容易实现大片超薄压电复合材料结构与性能系列化制备，操作工序简单，机械自动化程度高，在满足加工要求的同时大大提高了加工效率，适合批量化生产。
采用本方法制备的大片超薄压电复合材料压电阵列排列规则平整，压电相宽在0.1mm以上连续可调，压电相间距在0.1-1mm内可调；压电相与聚合物相可有1-3型、2-2型、多基元、周期性及非周期性等多种排布方式；厚度在0.1-1.5mm范围内连续可调，长、宽均在5-150mm范围内连续可调，可作为功能相进一步封装成各种换能器、传感器及驱动器，在超声医疗诊断和材料、结构的非损伤探测、振动控制和航空航天等领域具有广阔的应用前景。
以本发明所述的大片超薄压电复合材料作为主动层制备的宏纤维复合材料驱动器，在幅值为2500V、偏置为750V、频率为0.1Hz的交流电压驱动下纵向应变及横向应变分别为1967.3με和530.5με，可用于结构控制、振动抑制和结构健康监测等领域中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种压电复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将压电材料粘贴在切割板上；
采用线切割机将所述压电材料切割成第一设定厚度的薄片状压电材料，记为第一薄片状压电材料；
对所述第一薄片状压电材料进行抛光打磨，获得第二设定厚度的薄片状压电材料，记为第二薄片状压电材料；
将所述第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上，并采用绷盘固定；
对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割，制得压电相宽在0.1mm以上连续可调、压电相间距在0.1-1mm内连续可调的压电阵列；
采用聚合物基体对所述压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注，并固化成型；
取下切割承载膜，得到压电复合材料。
2.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，在所述将所述第二薄片状压电材料粘贴于切割承载膜上并采用绷盘固定之后，在所述对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割之前，还包括：
采用加热或降温的方式处理所述切割承载膜、第二薄片状压电材料和绷盘的组合件。
3.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，在所述对所述切割承载膜上的所述第二薄片状压电材料进行机械切割之后，在所述采用聚合物基体对所述压电阵列中压电相之间的间隙进行浇注之前，还包括：
将粘贴有所述第二薄片状压电材料的所述切割承载膜放入超声波清洗机中清洗，并吹干。
4.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述压电材料为PZT、PMN-PT、KNN、BT系压电陶瓷或压电单晶。
5.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述切割承载膜为有机膜。
6.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物基体为热固性树脂。
7.根据权利要求6所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物基体为环氧树脂基或酚醛树脂基。
8.根据权利要求1所述的压电复合材料的制备方法，其特征在于，固化成型过程在加压状态下进行，成型压力为0.2MPa-5MPa。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的压电复合材料的驱动器的制备方法，其特征在于，包括：
将聚合物基体涂覆在基底材料为聚酰亚胺、电极材料为镀锡铜的上叉指型电极上；
将所述上叉指型电极覆盖在浇注有聚合物基体的压电阵列上表面，且叉指电极的有效区域与压电阵列重合，得到第一层合材料；
将所述第一层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物半固化后，冷却取出，撕掉切割承载膜备用；
将聚合物基体涂覆在下叉指型电极以及所述第一层合材料无电极的表面上；
将所述下叉指型电极覆盖在所述第一层合材料无电极的一面，使所述上叉指型电极和所述下叉指型电极镜面对称，得到第二层合材料；
将所述第二层合材料置于压片机上热压成型，待聚合物固化后，取出修边，得到宏纤维复合材料驱动器；
在宏纤维复合材料驱动器上叉指电极正、负电极端焊接导线，并将其置于低于聚合物基体半固化温度的温度下施加2kV的直流电进行极化处理15-30min。
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