[發明專利]基體非均勻周期排列的2-2型壓電復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310388097.3
• 申請日: 2013-09-01
• 公開（公告）號: CN103456879A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 徐東宇;黃世峰;程新
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/37
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基體呈非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料，還涉及它們的制備方法，屬于水泥基壓電智能復合材料及其制備技術領域。

背景技術

與純壓電陶瓷相比，水泥基壓電復合材料因集中了壓電陶瓷和水泥基體的各自優點，在土木工程領域表現出許多優越的應用性能，如壓電性能優良、與混凝土結構的聲學及力學相容性較好、強度高、耐久性優良等特點，因而在土木工程結構健康監測中有著巨大的應用前景。

2-2型水泥基壓電復合材料一般是指以水泥為基體、壓電陶瓷為功能體，壓電陶瓷片與水泥基體層疊而成的兩相壓電復合材料，由于其制備工藝簡單、機電耦合性能良好、機械品質因素低，且同時具有高的感知強度和強的驅動輸出，可為智能結構提供自感知驅動器等特點，因而在混凝土結構健康監測領域具有明顯的優勢。但由于壓電陶瓷的聲阻抗較高，而水泥的聲阻抗與混凝土材料的聲阻抗又相近，因而制得的2-2型水泥基壓電復合材料的聲阻抗仍然難以實現與混凝土聲阻抗的良好匹配。此外，水泥與壓電陶瓷間的界面結合能力較弱，也限制了該類復合材料的應用化。因此，通過在水泥中摻加聚合物基體制備水泥聚合物基壓電復合材料，不僅可以增強水泥基體與壓電陶瓷的結合強度，提高水泥基壓電復合材料的柔韌性和整體性能，而且，低聲阻抗的聚合物也改善了水泥聚合物基壓電復合材料與混凝土材料的聲阻抗匹配能力。

另一方面，目前的2-2型壓電復合材料的結構都為均勻周期性壓電復合材料，即復合材料中的壓電陶瓷相和基體相的排列方式均為均勻周期性排列，卻沒有關于壓電陶瓷相和基體相尺寸非均勻變化的2-2型壓電復合材料的報道。通過非均勻周期設計，使基體相在復合材料結構中呈非均勻周期形排列，可以減弱壓電復合材料的橫向結構模對其厚度諧振模態的耦合干擾，同時還可以增加復合材料的帶寬，適用于制備寬帶換能器。

發明內容

本發明的目的是提供一種基體非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料，這種壓電復合材料中基體呈非均勻周期排列形式，性能良好，還能根據需要得到各種形狀的產品，滿足不同功能傳感器元件的性能需求。

本發明的另一目的是提供上述材料的制備方法，本發明方法易于實施，為基體非均勻周期性排列2-2型壓電復合材料的實現提供了技術支持。

本發明采用切割-澆注法制備基體非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料，在制備過程中，首先需要設計壓電復合材料的結構參數，例如確定壓電陶瓷片和切割溝槽的尺寸，確定切割溝槽的非均勻周期性變化方式，確定壓電陶瓷和基體的具體成分，確定制備過程中的工藝步驟和參數等具體內容，尤其是壓電陶瓷片和切割溝槽的尺寸，以及切割溝槽的非均勻周期性變化方式非常重要，只有確定了這些內容，才能保證產品的品質和性能。

本發明具體技術方案如下：

一種基體非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料，其特征是：由壓電陶瓷片、基體和上下電極制成，壓電陶瓷的體積百分比為20%～90%，所有壓電陶瓷片的橫截面積均相同，沿壓電陶瓷長度或寬度的方向，相鄰壓電陶瓷片間的間隔距離按下述任一方式變化：①按等差數列增大或減小（公差為0.1～1.0mm）；②按等差數列增大或減小到一定程度后作為一個循環周期（公差為0.1～1.0mm），然后重復此變化；③按等差數列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數列減小或增大到原始距離（公差為0.1～1.0mm），由此作為一個循環周期，然后重復此變化。

一種基體非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟：

（1）在垂直于壓電陶瓷塊極化軸的面上，沿著壓電陶瓷塊長度或寬度的方向垂直切割形成一系列凹槽，切割間距相同，切割時保留底座；凹槽的寬度按下列任意一種方式變化：①按等差數列增大或減小（公差為0.1～1.0mm）；②按等差數列增大或減小到一定程度后作為一個循環周期（公差為0.1～1.0mm），然后重復此變化；③按等差數列增大或減小到一定程度后再按照公差相同或不同的等差數列減小或增大到原始寬度（公差為0.1～1.0mm），由此作為一個循環周期，然后重復此變化；

（2）切割后將壓電陶瓷骨架清洗干凈，晾干后向凹槽中澆注基體，澆注完后抽真空去除凹槽中的氣孔，然后常溫固化，固化時間48h；

（3）固化后將樣品打磨、去底座并拋光、洗凈，然后在上下兩個平行表面涂上電極，即得基體非均勻周期性排列的2-2型壓電復合材料。