TWI501435B

TWI501435B - 壓電複合材料的製程及壓電發電裝置

Info

Publication number: TWI501435B
Application number: TW101102274A
Authority: TW
Inventors: Wu Sung Chuang; Chih Chang Wei; Huey Lin Hsieh; cheng sheng Yu
Original assignee: Betacera Inc
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2015-09-21
Also published as: TW201332171A

Description

壓電複合材料的製程及壓電發電裝置

本發明係與壓電複合材料有關，特別是有關於壓電複合材料之製程。

傳統壓電材料多為塊材型式，其質地堅硬易碎，機電轉換輸出受到限制，而侷限了壓電材料的發展運用。壓電複合材料則兼具壓電陶瓷優異的壓電特性與聚合物的柔軟性，可大幅提升其壓電性與機械性能，進一步拓展壓電材料的運用領域。

有關壓電複合材料的製造，常見的方法有雷射切割-填充法、注射成型法、脫模法及排列澆注法等。雷射切割-填充法係使用雷射光在壓電陶瓷塊上切割出多道橫向溝槽，接著再次使用雷射光在壓電陶瓷塊上切割出多道與橫向溝槽交叉的縱向溝槽以形成多個壓電陶瓷柱，然後於溝槽中填入聚合物以形成壓電複合材料。相較於傳統使用金剛石割刀的切割-填充法，此法具有高精度、無接觸及易操作等優點。然而，缺點是設備成本高，以及雷射的熱效應易導致陶瓷材料破裂而影響材料的結構與性能。

注射成型法係使用具有多個管狀出料口的注射器在壓電陶瓷板上形成壓電陶瓷柱陣列，之後進行燒結，接著在陣列中填入聚合物以形成壓電複合材料。此法具有壓電陶瓷柱的尺寸、分布及體積含量可靈活控制等優點。然而，缺點是注射器的構造複雜以及壓電陶瓷柱的長度會受到限制。

脫模法係使用具有多個柱狀孔穴的模具，在壓電陶瓷板上，脫模形成壓電陶瓷柱陣列，之後進行燒結，接著在陣列中填入聚合物以形成壓電複合材料。此法的優點是模具的製作較簡單且價格低廉。然而，缺點是當壓電陶瓷柱的直徑低於100微米時，燒結時的熱應力易使壓電陶瓷柱陣列發生塌陷。

排列澆注法係先製造壓電陶瓷纖維，接著依照預定的體積含量，將壓電陶瓷纖維排列，置入模具中；及將黏著劑例如是環氧樹脂灌入模具中，固化後脫模以形成1-3型壓電複合材料。排列澆注法之製程簡單、纖維體積含量易於控制，氣孔率低，適用於高性能傳感器、驅動器等裝置。

目前在壓電陶瓷纖維的製造上，例如溶膠-凝膠（sol-gel）法、膠狀懸浮液紡絲法（VSSP）及擠壓成型法是常見的方法。其中的擠壓成型法係將壓電陶瓷粉末與黏結劑及交聯劑水溶液均勻混合，以形成一聚合物膠體。接著，將聚合物膠體藉由擠型機擠壓成型以形成陶瓷纖維生胚。然後，進行乾燥及燒結步驟，即形成壓電陶瓷纖維。雖然此方法製程簡單、成本低廉且不會造成環境污染，但是仍有擠壓困難、纖維之可塑性不佳等缺點。

另外，1-3型壓電複合材料是由一維連通的壓電陶瓷纖維相，平行排列於三維連通的聚合物基體相中而形成的兩相壓電複合材料。增加壓電發電元件的尺寸，可提高發電量。市場上對於具有高發電量且長期振動後表面不會龜裂的壓電發電元件仍有需求。

有鑑於此，本發明人為改善並解決上述之缺失，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明之一目的，在於提供一種壓電複合材料的製程，可順利擠壓成型壓電陶瓷纖維，且擠出的壓電陶瓷纖維之可塑性良好；又，本發明之製程製成的壓電複合材料用於製造壓電發電元件時，具有高發電量且長期振動後表面不會龜裂。

本發明之另一目的，在於提供一種壓電發電裝置，包含使用上述壓電複合材料製成的壓電發電元件。

為了達成上述之目的，本發明係為一種壓電陶瓷纖維之製法，該製法包括以下步驟：混合壓電陶瓷粉末、黏結劑、交聯劑、潤滑劑及增塑劑，以形成一漿料；對漿料進行擠壓成型步驟，以形成壓電陶瓷纖維生胚；對壓電陶瓷纖維生胚進行燒結步驟，以形成壓電陶瓷纖維；依照預定的體積含量，將壓電陶瓷纖維排列，置入模具中；及將黏著劑灌入模具中，以形成壓電複合材料。

而且，本發明係一種壓電發電裝置，包含：支撐台；金屬板，具有彼此相反的第一表面及第二表面，金屬板的一端固定在支撐台上；及至少一壓電發電元件，鄰接於金屬板的第一表面及/或第二表面上，壓電發電元件係使用上述壓電複合材料製成。

相較於習知，本發明之製程主要是利用添加潤滑劑及增塑劑，可順利擠壓成型，且擠出的纖維之可塑性良好，及藉由調整壓電複合材料中兩相的配比，製成具有高發電量且長期振動後表面不會龜裂的壓電發電元件以供壓電發電裝置使用。本發明之製程簡單、成本低廉且不會造成環境污染的優點，可應用於薄長型壓電發電元件的製作。

有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

請參照第一圖，第一圖係表示本發明之一較佳實施例中壓電複合材料的製程的流程示意圖。本實施例係採用擠壓成型法製造壓電陶瓷纖維以及排列澆注法製造壓電複合材料。首先，請參考第一圖中之步驟100，使用混拌機均勻混合重量百分比為70wt%-95wt%的壓電陶瓷粉末、3.5~20wt%的黏結劑、0.5~5wt%的交聯劑水溶液、0.5~2.5wt%的潤滑劑與0.5~2.5wt%的增塑劑，以形成一漿料。

壓電陶瓷粉末可具有化學式ABO₃ 。化學式ABO₃ 中，A可為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、鍶(strontium)、鉀或鋰，B可為鈦、鋯(zirconium)、錳、鈷、鈮(niobium)、鐵、鋅、鎂、釔(yttrium)、錫、鎳或鎢。適用於本實施例的壓電陶瓷粉末之尺寸可介於0.1~1.0微米，其重量百分比可介於70~95wt%。

合適的黏結劑可為甲基纖維素系諸如甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素；聚乙烯醇系諸如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇；或聚丙烯酸酯。黏結劑之重量百分比可介於3.5~20wt%。

交聯劑可為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽或鋁酸鹽之水溶液。硼酸鹽可包括硼酸鈉或硼酸鉀。磷酸鹽可包括磷酸鈉、磷酸鉀或磷酸錳。矽酸鹽可包括矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸鋁。鋁酸鹽可包括鋁酸鈉或鋁酸鉀。交聯劑可為濃度介於0.005~0.05M之水溶液，其重量百分比係介於0.5~5wt%。當交聯劑溶於水中時產生帶電荷的鹼性氫氧化物可與黏結劑形成立體網狀交聯作用，同時將陶瓷粉末束覆在其中，在自發性的脫水反應後形成緊密的立體網狀複合結構。

適當的潤滑劑可為丙三醇或二丙二醇，其重量百分比可介於0.5~2.5wt%。適量的潤滑劑可促進擠型，避免漿料沾黏於後續步驟所使用擠出機的內壁及孔洞。

增塑劑可選自由聚乙烯乙二醇、1,3丁二醇、1,4丁二醇及苯醇所組成之族群。增塑劑之重量百分比係介於0.5~2.5wt%。適量的增塑劑可改善擠出的纖維之可塑性，以達到所需規格。

接著，步驟102利用三滾筒機將漿料中所含的粉末滾壓成細微粉末。接著步驟104利用擠出機進行擠壓成型，以形成所需規格之壓電陶瓷纖維生胚。擠壓成型之擠壓壓力可介於1~50kg/cm² 。壓電陶瓷纖維生胚之直徑可介於75~1,000微米。

接著，步驟106將纖維生胚經由烘乾爐於溫度80~120℃進行乾燥處理，去除纖維生胚內所含的水份。

接著，步驟108在乾燥後的纖維生胚表面上塗敷鋯粉，增加表面耐磨度，並將其放置於氧化鋁基板上再放入坩鍋中。

接著，步驟110將放置於坩鍋中的纖維生胚經由燒結爐於溫度1,000~1,300℃燒結2~3小時，燒結後成為壓電陶瓷纖維。

經測定，壓電陶瓷纖維直徑約為250微米、長度為70~100毫米、真圓度誤差為0.07+0.001微米/1毫米、真直度誤差為0.25微米/100毫米、燒結密度大於99%、壓電應變常數d₃₃ 大於600pC/N。

接著，步驟112依照35%~85%的體積含量，將壓電陶瓷纖維排列，置入模具中。壓電複合材料中所含的壓電陶瓷纖維之體積含量愈高，壓電應變常數d₃₃ 也愈高。而且，壓電陶瓷纖維於壓電複合材料中周期性排列與非周期性排列也會影響壓電元件的厚度共振模式，非周期性排列會使厚度共振模式單純而不會影響其他性能。

接著，步驟114將一黏著劑灌入該模具中，抽真空30~40分鐘，於160~180℃固化6~9小時後，脫模以形成1-3型壓電複合材料。合適的黏著劑可為環氧樹脂或矽酮樹脂。環氧樹脂黏著劑的製備方法為：選擇一種環氧樹脂為基質，以基質：固化劑的重量比為3：1在基質中加入固化劑，固化劑可以是順丁烯二酸酐或六氫鄰苯二甲酸酐，如有操作需要可加入稀釋劑例如鄰苯二甲酸二辛酯稀釋環氧樹脂，稀釋劑用量為環氧樹脂重量的1%。

為了測試壓電複合材料的性能，將壓電複合材料切割成2毫米厚度的薄片，接著磨平，且披覆銀電極，置於矽油中，在1.5~2.5kV/mm、溫度100℃、15~25分鐘條件下，對壓電複合材料進行極化。經測定，壓電複合材料的d₃₃ 大於300pC/N。

接著，請參考第二圖，第二圖係本發明之第一實施例的壓電發電裝置的示意圖。本發明的壓電發電裝置20，包含：支撐台22、金屬板24及壓電發電元件26。金屬板24係具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金屬板24的一端24a固定在支撐台22上；壓電發電元件26係鄰接於金屬板24的第一表面241上，壓電發電元件26係使用上述壓電複合材料製成，壓電發電元件26為板狀，長度可為3~10公分，較佳為10公分，厚度可為30微米~3毫米。此外，可設置質量塊30放置在金屬板24的另一端24b的第一表面241上，以增加壓電發電元件26的振動。質量塊30的質量可為0.5~10克。

接著，請參考第三圖，第三圖係本發明之第二實施例的壓電發電裝置的示意圖。本發明的壓電發電裝置20，包含：支撐台22、金屬板24及二壓電發電元件26、28。壓電發電元件26鄰接於金屬板24的第一表面241上，及壓電發電元件28鄰接於金屬板24的第二表面242上，壓電發電元件26、28係使用上述壓電複合材料製成，壓電發電元件26、28為板狀，長度可為3~10公分，較佳為10公分，厚度可為30微米~3毫米。此外，質量塊30放置在金屬板24的另一端24b的第一表面241上，以增加壓電發電元件26、28的振動。

接著，請參考第四圖，第四圖係本發明之第三實施例的壓電發電裝置的示意圖。本發明的壓電發電裝置20，包含：支撐台22、金屬板24及壓電發電元件26。金屬板24，具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金屬板24的一端24a固定在支撐台22上。壓電發電元件26係鄰接於金屬板24的第一表面241上，壓電發電元件26係使用上述壓電複合材料製成，壓電發電元件26為板狀，長度可為3~10公分，較佳為10公分，厚度可為30微米~3毫米。二質量塊30、32分別放置在金屬板24的另一端24b之第一表面241及第二表面242上，以增加壓電發電元件26的振動。

接著，請參考第五圖，第五圖係本發明之第四實施例的壓電發電裝置的示意圖。本發明的壓電發電裝置20，包含：支撐台22、金屬板24及二壓電發電元件26、28。金屬板24係具有彼此相反的第一表面241及第二表面242，金屬板24的一端24a固定在支撐台22上。壓電發電元件26鄰接於金屬板24的第一表面241上，及壓電發電元件28鄰接於金屬板24的第二表面242上，壓電發電元件26、28係使用上述壓電複合材料製成，壓電發電元件26、28為板狀，長度可為3~10公分，較佳為10公分，厚度可為30微米~3毫米。二質量塊30、32分別放置在金屬板24的另一端24b之第一表面241及第二表面242上，以增加壓電發電元件26、28的振動。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。

100~114．．．步驟

20．．．壓電發電裝置

22．．．支撐台

24．．．金屬板

24a．．．金屬板的一端

24b．．．金屬板的一端

26．．．壓電發電元件

28．．．壓電發電元件

30．．．質量塊

32．．．質量塊

241．．．第一表面

242．．．第二表面

第一圖係表示本發明之一較佳實施例中壓電複合材料的製程的流程示意圖。

第二圖係表示本發明之第一實施例的壓電發電裝置的示意圖。

第三圖係表示本發明之第二實施例的壓電發電裝置的示意圖。

第四圖係表示本發明之第三實施例的壓電發電裝置的示意圖。

第五圖係表示本發明之第四實施例的壓電發電裝置的示意圖。

100~114．．．步驟

Claims

一種壓電複合材料的製程，包括以下步驟:
(a)混合ㄧ壓電陶瓷粉末、一黏結劑、一交聯劑、一潤滑劑及一增塑劑，以形成一漿料；
(b)對該漿料進行一擠壓成型步驟，以形成一壓電陶瓷纖維生胚；
(c)對該壓電陶瓷纖維生胚進行一燒結步驟，以形成一壓電陶瓷纖維；
(d)依照預定的一體積含量，將該壓電陶瓷纖維排列，置入一模具中；及
(e)將一黏著劑灌入該模具中，以形成一壓電複合材料。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該潤滑劑係丙三醇或二丙二醇，該潤滑劑之重量百分比係介於0.5~2.5wt%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該增塑劑係選自由聚乙烯乙二醇、1,3丁二醇、1,4丁二醇及苯醇所組成之族群，該增塑劑之重量百分比係介於0.5~2.5wt%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該壓電陶瓷粉末係具有化學式ABO₃ ，化學式ABO₃ 中，A可為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、鍶(strontium)、鉀或鋰，B可為鈦、鋯(zirconium)、錳、鈷、鈮(niobium)、鐵、鋅、鎂、釔(yttrium)、錫、鎳或鎢，該壓電陶瓷粉末之重量百分比係介於70~95wt%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該壓電陶瓷粉末之尺寸係介於0.1~1.0微米。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該黏結劑係甲基纖維素或羥丙基甲基纖維素，該黏結劑之重量百分比介於3.5~20wt%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該交聯劑為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽或鋁酸鹽之水溶液，該交聯劑為濃度介於0.005~0.05M之水溶液。
如請求項7之壓電複合材料的製程，其中該步驟(a)中的該交聯劑之重量百分比係介於0.5~5wt%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(b)中的擠壓壓力介於1~50kg/cm² 。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(b)中的該壓電陶瓷纖維生胚之直徑介於75~1,000微米。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(c)中的該燒結溫度介於1,000~1,300℃。
如請求項1之壓電複合材料的製程，更包括於該步驟(c)前進行一乾燥步驟，該乾燥步驟之溫度介於80~120℃。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(d)中的體積分數為35%~85%。
如請求項1之壓電複合材料的製程，其中該步驟(e)中的該黏著劑為環氧樹脂或矽酮樹脂。
一種壓電發電裝置，包含：
一支撐台；
一金屬板，具有彼此相反的一第一表面及一第二表面，該金屬板的一端固定在該支撐台上；及
至少一壓電發電元件，鄰接於該金屬板的第一表面及/或第二表面上，該壓電發電元件係使用請求項1之該壓電複合材料製成。
如請求項15之壓電發電裝置，其中二壓電發電元件分別鄰接於該金屬板的第一表面及第二表面上。
如請求項15或16之壓電發電裝置，更包括一質量塊放置在該金屬板的另一端。
如請求項15或16之壓電發電裝置，更包括二質量塊分別放置在該金屬板的另一端之該第一表面及該第二表面上。
如請求項15之壓電發電裝置，其中該壓電發電元件為板狀，長度為3~10公分。
如請求項15之壓電發電裝置，其中該壓電發電元件的厚度為30微米~3毫米。