專利名稱：壓電復合材料的制法及壓電發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與壓電復合材料有關，特別有關壓電復合材料的制法。
背景技術：
傳統(tǒng)壓電材料多為塊材型式，其質(zhì)地堅硬易碎，機電轉換輸出受到限制，而局限了壓電材料的發(fā)展運用。壓電復合材料則兼具壓電陶瓷優(yōu)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。有關壓電復合材料的制造，常見的方法有激光切割-填充法、注射成型法、脫模法及排列澆注法等。激光切割-填充法使用激光在壓電陶瓷塊上切割出多道橫向溝槽，接著再次使用激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，然后在溝槽中填入聚合物以形成壓電復合材料。相較于傳統(tǒng)使用金剛石割刀的切割-填充法，該方法具有高精度、無接觸及易操作等優(yōu)點。然而，缺點是設備成本高，以及激光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，之后進行燒結，接著在陣列中填入聚合物以形成壓電復合材料。該方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(yōu)點。然而，缺點是注射器的構造復雜以及壓電陶瓷柱的長度會受到限制。脫模法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，之后進行燒結，接著在陣列中填入聚合物以形成壓電復合材料。該方的優(yōu)點是模具的制作較簡單且價格低廉。然而，缺點是當壓電陶瓷柱的直徑小于100微米時，燒結時的熱應力易使壓電陶瓷柱陣列發(fā)生塌陷。排列澆注法先制造壓電陶瓷纖維，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；及將粘著劑例如環(huán)氧樹脂灌入模具中，固化后脫模以形成1-3型壓電復合材料。排列澆注法的制法簡單、纖維體積含量易于控制，氣孔率低，適用于高性能傳感器、驅(qū)動器等裝置。目前在壓電陶瓷纖維的制造上，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，擠壓成型法將壓電陶瓷粉末與粘結劑及交聯(lián)劑水溶液均勻混合，以形成聚合物膠體。接著，將聚合物膠體借由擠型機擠壓成型以形成陶瓷纖維生胚。然后，進行干燥及燒結步驟，即形成壓電陶瓷纖維。雖然該方法制法簡單、成本低廉且不會造成環(huán)境污染，但是仍有擠壓困難、纖維的可塑性不佳等缺點。另外，1-3型壓電復合材料是由一維連通的壓電陶瓷纖維相，平行排列于三維連通的聚合物基體相中而形成的兩相壓電復合材料。增加壓電發(fā)電組件的尺寸，可提高發(fā)電量。市場上對于具有高發(fā)電量且長期振動后表面不會龜裂的壓電發(fā)電組件仍有需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種壓電復合材料的制法，該制法能夠順利擠壓成型壓電陶瓷纖維，且擠出的壓電陶瓷纖維的可塑性良好；另外，本發(fā)明的制法制成的壓電復合材料用于制造壓電發(fā)電組件時，具有高發(fā)電量且長期振動后表面不會龜裂的優(yōu)點。有鑒于此，本發(fā)明的另一目的在于提供一種壓電發(fā)電裝置，該裝置包含使用上述壓電復合材料制成的壓電發(fā)電組件。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種壓電復合材料的制法，該制法包括以下步驟:混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯(lián)劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料；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；及將粘著劑灌入模具中，以形成壓電復合材料。進一步地，所述步驟(a)中的所述潤滑劑為丙三醇或二丙二醇，該潤滑劑的重量百分比介于0.5 2.5wt%o進一步地，所述步驟(a)中的所述增塑劑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的族群，該增塑劑的重量百分比介于0.5 2.5wt%。進一步地，所述步驟(a)中的所述壓電陶瓷粉末具有化學式ABO3，化學式ABO3中，A 為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、銀(strontium)、鉀或鋰，B 為鈦、錯(zirconium)、猛、鈷、銀(niobium)、鐵、鋅、鎂、乾(yttrium)、錫、鎳或鶴,該壓電陶瓷粉末的重量百分比介于70 95wt % ο進一步地，所述步驟(a)中的所述壓電陶瓷粉末的尺寸介于0.1 1.0微米。進一步地，所述步驟(a)中的所述粘結劑為甲基纖維素或羥丙基甲基纖維素，該粘結劑的重量百分比介于3.5 20wt%。進一步地，所述步驟(a)中的所述交聯(lián)劑為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽的水溶液，該交聯(lián)劑為濃度介于0.005 0.05M的水溶液。進一步地,所述步驟(a)中的所述交聯(lián)劑的重量百分比介于0.5 5wt%。進一步地,所述步驟(b)中的擠壓壓力介于I 50kg/cm2。進一步地，所述步驟(b)中的所述壓電陶瓷纖維生胚的直徑介于75 1，000微米。進一步地,所述步驟(C)中的所述燒結溫度介于1，000 1，300°C。進一步地，該制法還包括在所述步驟(C)前進行干燥步驟，該干燥步驟的溫度介于 80 120°C。進一步地，所述步驟(d)中的體積含量為35% 85%。進一步地，所 述步驟(e)中的所述粘著劑為環(huán)氧樹脂或硅酮樹脂。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種壓電發(fā)電裝置，該裝置包含:支撐臺；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臺上；及至少一個壓電發(fā)電組件，鄰接于金屬板的第一表面和/或第二表面上，壓電發(fā)電組件使用上述壓電復合材料制成。進一步地，所述兩個壓電發(fā)電組件分別鄰接于所述金屬板的第一表面及第二表面上。進一步地，該裝置還包括質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊放置在所述金屬板的另一端。
進一步地，該裝置還包括兩個質(zhì)量塊，分別放置在所述金屬板的另一端的第一表面及第二表面上。進一步地，所述壓電發(fā)電組件為板狀，長度為3 10厘米。進一步地，所述壓電發(fā)電組件的厚度為30微米 3毫米。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的制法主要利用添加潤滑劑及增塑劑，可順利擠壓成型，且擠出的纖維的可塑性良好，及借由調(diào)整壓電復合材料中兩相的配比，制成具有高發(fā)電量且長期振動后表面不會龜裂的壓電發(fā)電組件以供壓電發(fā)電裝置使用。本發(fā)明的制法簡單、成本低廉且不會造成環(huán)境污染的優(yōu)點，可應用于薄長型壓電發(fā)電組件的制作。


圖1為本發(fā)明的較佳實施例中壓電復合材料的制法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明的第一實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明的第二實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖；圖4為本發(fā)明的第三實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖；圖5為本發(fā)明的第四實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖。附圖標記說明100 114 步驟20壓電發(fā)電裝置22支撐臺24金屬板24a金屬板的一端`24b金屬板的另一端 26壓電發(fā)電組件28壓電發(fā)電組件30質(zhì)量塊32質(zhì)量塊241第一表面242 第二表面
具體實施例方式有關本發(fā)明的詳細說明及技術內(nèi)容，將配合

如下，然而所附附圖僅作為說明用途，并非用于局限本發(fā)明。請參照圖1，圖1為本發(fā)明的較佳實施例中壓電復合材料的制法的流程示意圖。本實施例采用擠壓成型法制造壓電陶瓷纖維以及排列澆注法制造壓電復合材料。首先，請參考圖1中的步驟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%的粘結劑、0.5 5wt%的交聯(lián)劑水溶液、0.5 2.5wt%的潤滑劑與0.5
2.5wt%的增塑劑，以形成漿料。壓電陶瓷粉末可具有化學式ΑΒ03?；瘜W式ABO3中，A可為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、銀(strontium)、鉀或鋰，B 可為鈦、錯(Zirconium)^IijiJjg (niobium)、鐵、鋅、鎂、宇乙(yttrium)、錫、鎳或鶴。適用于本實施例的壓電陶瓷粉末的尺寸可介于0.1 1.0微米,其重量百分比可介于70 95wt %。合適的粘結劑可為甲基纖維素諸如甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素；聚乙烯醇諸如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇；或聚丙烯酸酯。粘結劑的重量百分比可介于3.5 20wt%。交聯(lián)劑可為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽的水溶液。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。硅酸鹽可包括硅酸鈉、硅酸鉀或硅酸鋁。鋁酸鹽可包括鋁酸鈉或鋁酸鉀。交聯(lián)劑可為濃度介于0.005 0.05M的水溶液，其重量百分比介于0.5 5wt%。當交聯(lián)劑溶于水中時產(chǎn)生帶電荷的堿性氫氧化物可與粘結劑形成立體網(wǎng)狀交聯(lián)作用，同時將陶瓷粉末束覆在其中，在自發(fā)性的脫水反應后形成緊密的立體網(wǎng)狀復合結構。適當?shù)臐櫥瑒┛蔀楸蓟蚨?，其重量百分比可介?.5 2.5wt%。適量的潤滑劑可促進擠型，避免漿料沾粘于后續(xù)步驟所使用擠出機的內(nèi)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的族群。增塑劑的重量百分比介于0.5 2.5wt%。適量的增塑劑可改善擠出的纖維的可塑性，以達到所需規(guī)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(guī)格的壓電陶瓷纖維生胚。擠壓成型的擠壓壓力可介于I 50kg/cm2。壓電陶瓷纖維生胚的直徑可介于75 1，000微米。接著，步驟106將纖維生胚經(jīng)由烘干爐，于溫度80 120°C進行干燥處理，去除纖維生胚內(nèi)所含的水分。接著，步驟108在干燥后的纖維生胚表面上涂敷鋯粉，增加表面耐磨度，并將其放置于氧化鋁基板上再放入坩鍋中。接著，步驟110將放置于坩鍋中的纖維生胚經(jīng)由燒結爐，于溫度1，000 1，300°C燒結2 3小時，燒結后成為壓電陶瓷纖維。經(jīng)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/I毫 米、真直度誤差為0.25微米/100毫米、燒結密度大于99%、壓電應變常數(shù)d33大于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。壓電復合材料中所含的壓電陶瓷纖維的體積含量愈高，壓電應變常數(shù)d33愈大。而且，壓電陶瓷纖維在壓電復合材料中周期性排列與非周期性排列也會影響壓電組件的厚度共振模式，非周期性排列單純影響厚度共振模式而不會影響其它性能。接著，步驟114將粘著劑灌入該模具中，抽真空30 40分鐘，于160 180°C固化6 9小時后，脫模以形成1-3型壓電復合材料。合適的粘著劑可為環(huán)氧樹脂或硅酮樹月旨。環(huán)氧樹脂粘著劑的制備方法為:選擇一種環(huán)氧樹脂為基質(zhì)，以基質(zhì):固化劑的重量比為3: I的比例在基質(zhì)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，如操作有需要可加入稀釋劑，例如鄰苯二甲酸二辛酯稀釋環(huán)氧樹脂，稀釋劑用量為環(huán)氧樹脂重量的1%。為了測試壓電復合材料的性能，將壓電復合材料切割成2毫米厚度的薄片，接著磨平，且披覆銀電極，置于硅油中，在1.5 2.5kV/mm、溫度100°C、15 25分鐘條件下，對壓電復合材料進行極化。經(jīng)測定，壓電復合材料的d33大于300pC/N。接著，請參考圖2，圖2為本發(fā)明的第一實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置20包含:支撐臺22、金屬板24及壓電發(fā)電組件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固定在支撐臺22上；壓電發(fā)電組件26鄰接于金屬板24的第一表面241上,壓電發(fā)電組件26使用上述壓電復合材料制成，壓電發(fā)電組件26為板狀，長度可為3 10厘米，較佳為10厘米，厚度可為30微米 3毫米。此外，可設置質(zhì)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(fā)電組件26的振動。質(zhì)量塊30的質(zhì)量可為0.5 10克。接著，請參考圖3，圖3為本發(fā)明的第二實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置20包含:支撐臺22、金屬板24及兩個壓電發(fā)電組件26、28。壓電發(fā)電組件26鄰接于金屬板24的第一表面241上,壓電發(fā)電組件28鄰接于金屬板24的第二表面242上，壓電發(fā)電組件26、28使用上述壓電復合材料制成，壓電發(fā)電組件26、28為板狀，長度可為3 10厘米，較佳為10厘米，厚度可為30微米 3毫米。此外，質(zhì)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(fā)電組件26、28的振動。接著，請參考圖4，圖4為本發(fā)明的第三實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置20包含:支撐臺22、金屬板24及壓電發(fā)電組件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固定在支撐臺22上。壓電發(fā)電組件26鄰接于金屬板24的第一表面241上,壓電發(fā)電組件26使用上述壓電復合材料制成，壓電發(fā)電組件26為板狀，長度可為3 10厘米，較佳為10厘米，厚度可為30微米 3毫米。兩個質(zhì)量塊30、32分別放置在金屬板24的另一端24b的第一表面241及第二表面242上，以增加壓電發(fā)電組件26的振動。接著，請參考圖5，圖5為本發(fā)明的第四實施例的壓電發(fā)電裝置的示意圖。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置20包含:支撐臺22、金屬板24及兩個壓電發(fā)電組件26、28。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固定在支撐臺22上。壓電發(fā)電組件26鄰接于金屬板24的第一表面241上,壓電發(fā)電組件28鄰接于金屬板24的第二表面242上，壓電發(fā)電組件26、28使用上述壓電復合材料制成，壓電發(fā)電組件26、28為板狀，長度可為3 10厘米，較佳為10厘米，厚度可為30微米 3毫米。兩個質(zhì)量塊30、32分別放置在金屬板24的另一端24b的第一表面241及第二表面242上，以增加壓電發(fā)電組件26、28的振動。以上所述，·僅為本發(fā)明的較佳實施例的具體說明，并非用以局限本發(fā)明的保護范圍，其它運用本發(fā)明的精神的等效變化，均應屬于本發(fā)明的權利要求范圍。
權利要求
1.一種壓電復合材料的制法，其特征在于，該制法包括以下步驟: (a)混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯(lián)劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料； (b)對該漿料進行擠壓成型步驟，以形成壓電陶瓷纖維生胚； (C)對該壓電陶瓷纖維生胚進行燒結步驟，以形成壓電陶瓷纖維； (d)依照預定的體積含量，將該壓電陶瓷纖維排列，置入模具中；及 (e)將粘著劑灌入該模具中，以形成壓電復合材料。
2.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述潤滑劑為丙三醇或二丙二醇，該潤滑劑的重量百分比介于0.5 2.5wt%。
3.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述增塑劑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的族群，該增塑劑的重量百分比介于0.5 2.5wt%0
4.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述壓電陶瓷粉末具有化學式ABO3,化學式ABO3中，A為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、銀(strontium)、鉀或鋰，B為鈦、錯(zirconium)、猛、鈷、銀(niobium)、鐵、鋅、鎂、乾(yttrium)、錫、鎳或鶴,該壓電陶瓷粉末 的重量百分比介于70 95wt%。
5.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述壓電陶瓷粉末的尺寸介于0.1 1.0微米。
6.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述粘結劑為甲基纖維素或羥丙基甲基纖維素，該粘結劑的重量百分比介于3.5 20wt%。
7.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述交聯(lián)劑為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽的水溶液，該交聯(lián)劑為濃度介于0.005 0.05M的水溶液。
8.如權利要求7所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(a)中的所述交聯(lián)劑的重量百分比介于0.5 5wt%。
9.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(b)中的擠壓壓力介于 I 50kg/cm2。
10.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(b)中的所述壓電陶瓷纖維生胚的直徑介于75 1，000微米。
11.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(c)中的所述燒結溫度介于I, 000 I, 3000C。
12.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，該制法還包括在所述步驟(c)前進行干燥步驟，該干燥步驟的溫度介于80 120°C。
13.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(d)中的體積含量為35% 85%。
14.如權利要求1所述的壓電復合材料的制法，其特征在于，所述步驟(e)中的所述粘著劑為環(huán)氧樹脂或硅酮樹脂。
15.一種壓電發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置包含: 支撐臺； 金屬板，具有彼此相反的第一表面及第二表面，該金屬板的一端固定在該支撐臺上 '及至少一個壓電發(fā)電組件，鄰接于該金屬板的第一表面和/或第二表面上，該壓電發(fā)電組件使用權利要求1所述的壓電復合材料制成。
16.如權利要求15所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于，所述兩個壓電發(fā)電組件分別鄰接于所述金屬板的第一表面及第二表面上。
17.如權利要求15或16所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置還包括質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊放置在所述金屬板的另一端。
18.如權利要求15或16所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置還包括兩個質(zhì)量塊，分別放置在所述金屬板的另一端的第一表面及第二表面上。
19.如權利要求15所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于，所述壓電發(fā)電組件為板狀，長度為3 10厘米。
20.如權利要求15所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于，所述壓電發(fā)電組件的厚度為30微米 3毫米。
全文摘要
本發(fā)明有關一種壓電復合材料的制法，該制法包括以下步驟混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯(lián)劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料；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；及將粘著劑灌入模具中，以形成壓電復合材料。該制法能夠順利擠壓成型壓電陶瓷纖維，且擠出的壓電陶瓷纖維的可塑性良好。本發(fā)明還有關一種包含使用上述壓電復合材料制成的壓電發(fā)電組件的壓電發(fā)電裝置，該壓電發(fā)電組件具有高發(fā)電量且長期振動后表面不會龜裂的優(yōu)點。
文檔編號C04B26/32GK103241989SQ20121002386
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權日2012年2月3日
發(fā)明者莊武松, 魏志漳, 謝慧霖, 余承圣 申請人:鋇泰電子陶瓷股份有限公司