[發明專利]一種壓電陶瓷纖維復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201010514615.8
• 申請日: 2010-10-21
• 公開（公告）號: CN102024901A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 朱孔軍;裘進浩;王會;季宏麗
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/22
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

一、技術領域

本發明涉及壓電功能材料領域，尤其涉及一種由壓電陶瓷薄片和高分子材料層組成的壓電陶瓷纖維復合材料，同時涉及一種該壓電陶瓷纖維復合材料的制備方法。

二、背景技術

智能結構的核心是智能材料。智能結構中傳感器實現將機械量(應變、位移、速度等)?轉化為非機械量(電、光等)。目前，用于傳感器的材料主要有電阻應變片、壓電材料和光導纖維等。在智能結構中，研究較多的傳感器與驅動器材料是壓電材料。

智能結構大多采用功能器件與基體結構相集成的結構形式，為了便于與結構基體相集成，這對智能結構中的功能元件的幾何形狀與尺寸提出了新的要求。在過去幾十年中，對于智能材料與結構的研究一直是熱點問題。盡管智能材料的種類繁多，但壓電材料被認為是最具代表性的一種。到目前為止，人們對基于壓電陶瓷(PZT)的智能結構做了大量的研究。然而，在實際應用中，壓電陶瓷仍具有一些明顯的缺點，例如，它硬而脆(由于陶瓷本身易碎的特性)，而且很難應用于曲面。傳統的壓電功能器件以塊狀和片狀居多，由于體積較大，不易與基體結構集成，當埋入基體結構時，對結構的強度和可靠性影響很大，也會改變結構的許多性能，甚至影響結構的使用，縮短其使用壽命。滿足智能結構提出的易于集成要求的理想幾何形狀有薄膜和纖維。此外，傳統的壓電材料存在著顯著的缺點，由于陶瓷的脆性，壓電陶瓷無法承受大的沖擊，也不能應用于彎曲的平面，因此限制了壓電陶瓷的廣泛應用。

為了彌補單片壓電陶瓷的不足，Bent等人開發了一種新的壓電復合執行器。壓電復合材料結合壓電陶瓷材料和結構中不活躍的額外附加成分，形成一個整體執行器/傳感器包。通過這種方式，壓電陶瓷及其他結構材料的優異特性在同一個器件中得到增強，并包含了兩者的最佳性能，從而創造了具有優越性能的驅動器。基于此種材料無可爭辯的優勢，壓電纖維復合材料引起了廣泛的研究熱潮。

美國MIT最早采用擠壓成型的方法制備了壓電纖維胚體，經過一定的燒結工藝，成功地制備了壓電纖維。制備的主動壓電纖維復合材料(AFC)是把橫截面為圓形的PZT纖維橫向排列在環氧聚合物中，是各相異性的驅動器。區別于傳統的電極產生垂直于纖維方向的電場，AFCs由于進行了雙交叉電極(IDE)設計，因此可以得到平行于纖維極化方向的電場。通過IDE的成功使用，AFC得到了極高的d₃₃值，進而使封裝壓電陶瓷應變翻了一番，同時，其應變能密度提高了三倍左右。

盡管AFC的相關研究較多，其在傳感和驅動方面也有較多應用，但是，尚有一些困難阻礙了AFC的性能。比如IDEs和圓柱形壓電纖維直接的結合強度與AFC最優性能的匹配問題。纖維直接結構的的變化，降低了各個致動器件的可重復性，且增大了批量生產的成本。AFC設計的這些缺陷導致了其他具有性能更優的壓電纖維夫和材料（PFC）致動器件的發展，而兩者則采用了同樣的設計理念。盡管AFC和傳統的壓電材料相比，性能上有很大的提高，但也存在著缺點。首先，PZT纖維的圓形橫截面使PZT和電極的接觸面積很小，降低了AFC的機電轉換能力。其次，過高的制造成本也限制了AFC的使用。再有，AFC需要很高的驅動電壓。

針對AFC的優缺點，美國航空航天局（NASA）于2001年開始對壓電纖維的制備及應用展開了深入的研究，他們提出采用流延成型法制備壓電薄膜，經過一定的燒結工藝，然后采用切割法制備壓電纖維，并成功制作了MFC(Macro?Fiber?Composite)。MFC是把橫截面為矩形的PZT纖維橫向排列在環氧聚合物中，并使用了指形交叉電極。和AFC不同的是，MFC中的矩形PZT纖維提高了PZT和電極的接觸面積，提高了其機電轉換效率。另外，MFC中的PZT纖維是從傳統的PZT晶體中切割出來的，降低了其制造成本。由于MFC的柔韌性較高，可以有效的用于航空航天結構中的振動控制和形狀控制。它不僅具有AFC的全部卓越性能，同時又克服了AFC?的不足,是目前最理想的智能材料。德國采用美國壓電纖維制備的核心技術，成功地制備了多種功能的壓電纖維及其器件。

三、發明內容

1、技術問題：本發明要解決的技術問題是提供一種壓電陶瓷纖維復合材料（簡稱為MFC），該復合材料由壓電陶瓷薄片和高分子材料聚合物如環氧樹酯薄片間隔疊置而成，同時提供一種用于制備這種壓電陶瓷纖維復合材料的方法。

2、技術方案：為了解決上述的技術問題，本發明的制備壓電陶瓷纖維復合材料的方法包括下列步驟：