[發明專利]一種可以提高抗斷裂性能的功能梯度壓電材料制備方法

有效

• 申請號: 201610317778.4
• 申請日: 2016-05-12
• 公開（公告）號: CN106003849B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 周立明;孟廣偉;孫晨凱;李鋒;顧帥
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B32B3/12
• 分類號: B32B3/12;B32B17/06;B32B18/00;B32B7/12;B32B37/12;B32B37/02;B32B37/06;B32B37/10;C09J129/04;C09J11/04;C09J11/06
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明屬于功能梯度壓電材料的制備方法。

背景技術

現有的功能梯度壓電材料在使用過程中因實際需要材料需采用具有孔洞、開口等易于產生裂紋、斷裂的形態結構，其材料在長時間使用時容易發生斷裂以至于關聯產品失去應有作用。

為了得到較大的驅動力，工程中目前使用的壓電元件多為多層結構，如壓電雙晶片、Rainbow及壓電堆等。這種結構，雖然獲得了較大的驅動力，但元件中某些材料成分和性質的突然變化常常會導致結構中出現局部的應力失配，即在層間界面處存在明顯的應力差，其后果就是粘結層在低溫易開裂、高溫易蠕變，進而縮短了元件的壽命，進一步降低應用其材料所生產的產品的使用壽命，產生資源浪費。

現有的功能梯度壓電材料在制備過程中會產生缺陷(如空洞、裂紋)，這類缺陷往往是功能梯度壓電材料失效的主要原因之一；同時由于功能梯度壓電材料的特殊功能特性和其單晶體結構導致其抗斷裂性能不高。

現有的功能梯度壓電材料在制備過程中所使用的個壓電層間的柔性粘結劑的作用單一，只能用于各層的粘結，但其并不具有相應的各壓電層的特性，即使得功能梯度壓電材料整體的抗裂紋擴展性能降低，又可能會對各壓電層的壓電信號具有一定的阻礙作用。

發明內容

本發明提供一種可以提高抗斷裂性能的功能梯度壓電材料制備方法，以解決功能梯度壓電材料抗斷裂性能差的問題。

本發明采取的技術方案是，包括下列步驟：

一、將長型玻璃纖維絲進行橫縱經緯網格編制排列形成網格片：

取長型玻璃纖維絲的纖維長度2-10mm，在制成橫縱經緯網格片時，先在底層光潔玻璃板平面上將同一橫向長型玻璃纖維絲平鋪，各長型玻璃纖維絲保持其間距0.5-1.5mm，用噴霧器向其噴撒玻璃膠，在此之上鋪設與第一層長玻璃纖維成90度的第二層長型玻璃纖維絲，之后將第二塊光潔玻璃板平鋪覆蓋其上，用玻璃板的重量幫助橫縱兩層長型玻璃纖維絲粘結，10-20分鐘后撤離上層玻璃板，長型玻璃纖維絲編制的網格片1放置在下層玻璃板上備用；

二、粘合劑2配制，由下列體積份數的原料制成：聚乙烯醇40-50份，甘油20-25份，乙醇8-10份，純水20—30份，在80-95℃條件下將所有原料混合過濾；

取短型玻璃纖維絲的纖維長度0.2-0.8mm，采用每100ml的粘合劑中添加2-10g的短型玻璃纖維絲，添加入粘合劑中后放置在搖勻機低速搖勻，搖勻機轉速1-3轉/秒；

三、制備功能梯度壓電材料：

先放置好一層壓電層原材料，其后在壓電層原料的上層涂抹搖勻好的粘合劑，之后將之前制備好的長型玻璃纖維絲編制的網格片放置在粘合劑的上方，其后在長型玻璃纖維絲編制的網格片上方再次涂抹搖勻好的粘合劑，之后上方放置下一層壓電層原材料，之后的每層的粘合劑、長型玻璃纖維絲編制的網格片、壓電層原材料如此重復操作，在放置長型玻璃纖維絲編制的網格片1時如若單一網格無法完全鋪滿涂層，可使多個網格片逐次疊加，依次覆蓋在前一網格片1-2mm，最終產生具有層級結構的功能梯度壓電材料的胚體備用；

通過熱壓制備功能梯度壓電材料，采用靜高壓高溫大腔體合成法，溫度1000-3000℃。壓力30～60Mpa，時間20-40分鐘。

本發明所述的壓電層原材料采用現有的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷原料PZT-4。

本發明的優點是：運用仿生學的思想，通過對貝殼殼體斷裂特性的研究發現，所具有的斷裂功，大約是作為它基本成份的碳酸鈣晶體的斷裂功的3,000倍，并通過貝殼殼體結構的微觀結構研究、對比以及試驗得以發現貝殼殼體之所以具有高硬度原因在于貝殼中碳酸鈣晶粒有著特殊的有序排列和其各碳酸層之間具有相互交叉、重疊、相互鏈接的細纖維添加物質的粘合方式。對于具有層級結構所構成的層積體，如若具有剛-纖-剛結構比單純的剛-柔-剛結構具有更好的斷裂性能。創新的將粘合劑添加脆性纖維絲，使得粘合劑具有一定的纖維結構。使得脆性纖維絲在粘合劑中形成經緯網絡結構提高結構強度。最終形成在上一層生成裂紋時當裂紋進一步向下發展時遇到層間添加有脆性經緯網格纖維結構的粘合層時，其應力遇到之后沿著纖維網格向橫向分散，同時在分散過程中脆性材料進行斷裂將能量進一步消耗，使得縱向力橫向分散降低對下一壓電層的應力，同時由于脆性材料的斷裂進一步降低向下傳遞的能量達到進一步的削弱對下一壓電層的應力作用。達到提高功能梯度壓電材料的斷裂性能。應用發明方法可批量大規模生產具有高斷裂性能的功能梯度壓電材料，使得功能梯度壓電材料具有更好的使用價值和更為廣泛的應用領域。

附圖說明