專利名稱：：壓電復(fù)合材料的制作方法壓電復(fù)合材料本發(fā)明涉及壓電復(fù)合材料。更具體而言，本發(fā)明涉及形成含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法和包含通過(guò)本發(fā)明的方法形成的壓電纖維陣列的復(fù)合材料。含壓電纖維陣列的復(fù)合材料通常包括嵌入聚合物基體的單軸排列壓電纖維的單層。每一根纖維都以類似的距離與相鄰且基本平行的纖維分開(kāi)，并且其通過(guò)聚合物基體保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。通常，含壓電纖維陣列的復(fù)合材料(例如由本發(fā)明提供的)可用作例如激勵(lì)器和/或傳感器。具有組合的感測(cè)和激勵(lì)功能的裝置更通常稱為換能器，并且該類裝置在例如振動(dòng)控制和能量收集中具有廣泛應(yīng)用。為了用于這些應(yīng)用，將電極沉積在復(fù)合材料周圍。雖然已經(jīng)提出幾種類型的電極設(shè)計(jì)，但是認(rèn)為使用一種稱為叉指狀電極(interdigitedelectrode,IDE)的電極是有利的。將這種電極跨越纖維陣列而沉積在復(fù)合材料的上面和下面。這利用了縱向'd33，壓電效應(yīng)，與用于常規(guī)貫通面極化壓電激勵(lì)器(through-planepoledpiezoelectricactuator)中較弱的'd31，壓電效應(yīng)相比，其產(chǎn)生了近乎兩倍的應(yīng)變激勵(lì)。圖l示出了典型的壓電纖維復(fù)合材料的實(shí)例，其中圓形纖維嵌入聚合物基體中。在該圖中，壓電材料的單根纖維可以通過(guò)擠出法來(lái)制造。然后將單根纖維嵌入聚合物基體中。這類壓電纖維復(fù)合材料記栽于例如美國(guó)專利6048622中。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到使用含壓電纖維陣列的復(fù)合材料是有益的，特別是當(dāng)與叉指狀電極組合使用時(shí)更是如此。然而，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到可以改進(jìn)包含壓電纖維陣列的常規(guī)復(fù)合材料的組成。因此，本發(fā)明人設(shè)計(jì)并制造了含壓電纖維陣列的新型復(fù)合材料。因此，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法，該方法包括5(a)提供(al)多個(gè)包含壓電材料或壓電材料前體和笫一載體的第一條狀物，和(a2)多個(gè)包含可分解材料和第二載體的第二條狀物；(b)將所述多個(gè)所述第一和第二條狀物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一條狀物通過(guò)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)；(c)一個(gè)或更多個(gè)加熱步驟，其包括加熱所述堆以除去所述第一和第二載體以及所述可分解材料；(d)用填充材料浸漬所述堆以形成壓電條狀物的復(fù)合材料堆；和(e)切割所述堆以形成包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料。本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法，該方法包括(a)提供(al)多個(gè)包含壓電材料或壓電材料前體和第一栽體的第一條狀物，和(a2)多個(gè)包含可分解材料和第二載體的第二條狀物；(b)將所述多個(gè)所述第一和第二條狀物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一條狀物通過(guò)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)；(c)切割所述的堆以形成壓電纖維陣列；(d)—個(gè)或更多個(gè)加熱步驟，其包括加熱所述陣列以除去所述第一和第二栽體以及所述可分解材料；和(e)用填充材料浸漬所述堆以形成包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料。優(yōu)選地，對(duì)于以上兩種實(shí)施方案，第一和/或第二栽體包含粘合劑材料和溶劑。優(yōu)選地，通過(guò)粘滯塑性成形法(viscousplasticprocess)形成第一和/或第二條狀物。優(yōu)選地，所述堆在步驟(b)和(c)之間進(jìn)行壓延處理。優(yōu)選地，所述堆中第二條狀物的(最小)平均厚度小于5jrni。優(yōu)選地，壓電材料包括摻雜和/或未摻雜的鋯鈦酸鉛。優(yōu)選地，壓電材料和壓電材料前體的總量為第一條狀物的70~95重量％。優(yōu)選地，可分解材料包含元素碳。優(yōu)選地，可分解材料的量為第二條狀物的30~60重量％。優(yōu)選地，在加熱步驟中(i)以足以除去所述第一和第二溶劑的溫度和時(shí)間來(lái)加熱堆；(ii)然后以足以除去第一和第二粘合劑以及可分解材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆；和然后(iii)以足以燒結(jié)所述壓電材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆。優(yōu)選地，第一和/或第二溶劑優(yōu)選包括環(huán)己酮和/或水，并且在此情況下，在30100"的溫度下加熱堆。優(yōu)選地，第一和/或第二粘合劑包含聚乙烯醇縮丁醛和/或聚乙烯醇，并且在此情況下，在步驟(c2)中在650800"C的溫度下加熱堆以除去可分解材料。優(yōu)選地，在步驟(c2)中在250800X:的溫度下加熱堆以除去第一和第二粘合劑。優(yōu)選地，填充材料包括環(huán)氧樹(shù)脂。優(yōu)選地，所述方法還包括在復(fù)合材料上沉積一個(gè)或更多個(gè)電極，所述電極配置為能夠產(chǎn)生穿過(guò)至少部分壓電纖維陣列的電場(chǎng)。本發(fā)明還提供一種壓電纖維陣列，其中各壓電纖維基本上互相平行取向并且兩相鄰纖維之間的平均最小間隔為5nm或更小。優(yōu)選地，各壓電纖維具有基本上為四邊形的截面。優(yōu)選地，所述陣列通過(guò)上述方法制造。優(yōu)選地，該陣列用于激勵(lì)器、傳感器或換能器中。本發(fā)明還提供一種堆，所述堆包括交替的(i)壓電材料或壓電材料前體和笫一載體，和(ii)可分解材料和第二栽體的條狀物。7本文所用的"陣列，，是指纖維的有序排列。在所述陣列的至少一部分中，每根單獨(dú)的纖維不與另一根纖維接觸或接合。本文所用的"載體"是其中含有壓電材料或可分解材料以形成可塑性變形材料的物質(zhì)。它可以包括例如粘合劑和溶劑，和/或熱塑性體系。優(yōu)選地，它應(yīng)當(dāng)在加熱(例如在8oot:或以下)時(shí)被除去，留下(例如)壓電材料。優(yōu)選地，如果載體中包含的材料為微粒形式，則所述載體能夠使材料保持假穩(wěn)定的非聚集形式。這樣，載體可以具有骨團(tuán)狀的稠度。"粘合劑"優(yōu)選為在與溶劑混合時(shí)形成載體的材料。本文所用的"條狀物"是指大致為長(zhǎng)方體的形狀。它最大尺寸為其長(zhǎng)度，中間尺寸為其寬度，最小尺寸為其厚度。條狀物優(yōu)選在不受外來(lái)影響或力的情況下保持其形狀并因此不發(fā)生明顯變形。然而，當(dāng)向所述條狀物施加外力時(shí)，條狀物優(yōu)選能夠變形。這樣，條狀物優(yōu)選由骨團(tuán)狀材料形成。本文所用的"填充材料"是適合用于浸漬本發(fā)明陣列的任何材料。其可以為例如熱固性樹(shù)脂，例如環(huán)氧樹(shù)脂。這具有如下優(yōu)點(diǎn)液體樹(shù)脂可以以其可延展(如液體)的形式浸入所述陣列；然后，在浸漬后樹(shù)脂可以硬化。在某些情況下，也可以使用熱塑性材料。本發(fā)明方法通常提供基本上為四邊形形狀的單根壓電纖維。該纖維可以為例如基本上矩形的形狀，這取決于如何具體地切割堆。這相對(duì)于使用圓形纖維的現(xiàn)有技術(shù)方法可以是有利的，當(dāng)將電極沉積在陣列上時(shí)，四邊形形狀使壓電纖維和電極之間的接觸更良好。這導(dǎo)致穿過(guò)纖維的電場(chǎng)的大小和均勻性增加以及剛性、能量密度和應(yīng)變?cè)黾?。為了說(shuō)明本發(fā)明方法和通過(guò)本發(fā)明方法產(chǎn)生的陣列相對(duì)于常規(guī)方法和陣列的優(yōu)點(diǎn)，并且舉例說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案，在下文更加詳細(xì)描述本發(fā)明的各個(gè)方面。盡管關(guān)于各個(gè)具體方法步驟單獨(dú)描述具體的實(shí)施方案，但是每個(gè)實(shí)施方案也和任何其它的實(shí)施方案組合使用，除非另有說(shuō)明。第一條狀物8第一條狀物包含壓電材料或壓電材料前體和第一載體。壓電材料可以為鋯鈦酸鉛(PZT)。這是具有通式結(jié)構(gòu)Pb[ZrxlVxJOs的陶瓷鈣鈦礦材料，其中0〈x〈1。它可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何形式來(lái)提供。這樣，它可以以'硬，或'軟，的形式提供。它還可以以摻雜或未摻雜的形式提供。如果摻雜的話，它可以摻雜有例如鑭、釹、銻、鉭、鈮和鴒(其導(dǎo)致軟PZT);鐵、鈷、錳、鎂、鋁、銦、鉻、鈧、鈉和鉀(其是受主摻質(zhì)，導(dǎo)致硬PZT);等價(jià)代替物，包括鍶、鈣、鋇和錫；和多價(jià)添加劑，例如鉻、鈾和錳?？梢院捅景l(fā)明聯(lián)合使用的其它壓電材料包括其它鉛基壓電陶瓷如BaTi03、PbTi03、PbNb206、Pb(Mg1/3Nb2/3)03，和無(wú)鉛壓電陶瓷如堿性鈮酸鹽(KNb03、KNaNb206、LiNb03)和改性鈦酸鉍(SrBi2TU09、NaBiTi401())。還可以使用壓電材料前體。例如，可以按比例混合鉛、鈦和鋯的氧化物以在適當(dāng)加熱后形成壓電鋯鈦酸鉛。通過(guò)將壓電材料與第一載體混合制得第一條狀物。這樣，壓電材料通常以粉末的形式提供。粉末中粒子的尺寸可以為0.05至10fim，更優(yōu)選0.1至5|tim，并且更優(yōu)選0.5jim至1nm。這些值都是d50值。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種粒度分布是有益的，這是因?yàn)槠涫构腆w的堆積(固體裝填)和混合物的粘度優(yōu)化，導(dǎo)致復(fù)合材料的均一性、密度和電性能得以改進(jìn)。壓電材料優(yōu)選作為第一條狀物總組合物的一部分以70重量％或更高的量來(lái)提供(即每100g條狀物材料包含70g或更多的壓電材料)。如果提供的量低于該量，則最終陣列中壓電材料的密度過(guò)低而不能用于某些應(yīng)用。更優(yōu)選地，以80重量％或更高的量來(lái)提供壓電材料。壓電材料優(yōu)選作為第一條狀物總組合物的一部分以95重量％或更低的量來(lái)提供。如果提供的量高于該量，則第一條狀物的可加工性趨向于降低，使得在后續(xù)加工步驟中更難于處理該組合物。這是因?yàn)榈谝粭l狀物的該組合物變脆且更不像流體。更優(yōu)選地，以卯重量％或更低的量來(lái)提供壓電材料。與壓電材料混合的第一載體可以包含粘合劑材料和溶劑。粘合劑材料優(yōu)選在與溶劑以合適的濃度混合時(shí)產(chǎn)生粘性溶液。通常，粘合劑和溶9劑以其1:5~5:1、更優(yōu)選1:3~3:1的重量比進(jìn)行混合。這通常導(dǎo)致栽體具有合適的粘度。如果加入過(guò)多的粘合劑，則溶液變得過(guò)粘并且所得材料的可加工性過(guò)低。然而如果加入的粘合劑過(guò)少，則溶液變得太易于流動(dòng)，并且所得材料的內(nèi)聚性和可加工性都降低。優(yōu)選地，粘合劑材料包括聚乙烯醇(PVA)、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素和聚乙烯醇縮丁醛(PVB)中的一種或更多種。優(yōu)選這些粘合劑材料，原因是它們能全部燒除。此外，它們易于商業(yè)獲得并且安全。溶劑可以為使粘合劑材料溶解或懸浮的任何溶劑。溶劑可以是含水和/或有機(jī)的溶劑。PVA、甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素可以用于含水體系(用水作為溶劑)。使用PVB可以用環(huán)己酮和/或叔丁醇作溶劑。第一載體體系還可以包含在暴露于UV輻射時(shí)能夠反應(yīng)(如聚合)的含環(huán)氧基團(tuán)的物質(zhì)和/前體，例如甲基丙烯酸甲酯。還可以向載體和壓電粉末的混合物中加入其它組分。例如，可以加入分散劑以幫助防止壓電粒子在載體內(nèi)聚集。分散劑的實(shí)例是硬脂酸(優(yōu)選與PVB粘合劑組合使用)和聚丙烯酸銨(優(yōu)選與PVA粘合劑組合使用)。為了使其有效地用作分散劑，可以以第一條狀物組合物的0.01~1重量％的量來(lái)提供分散劑。還可以向組合物中加入增塑劑(Plasticer)以改進(jìn)用于形成第一條狀物的組合物的可加工性能。這種增塑劑的一個(gè)實(shí)例為鄰苯二甲酸二正丁酯。為了使其有效地用作增塑劑，可以以第一條狀物組合物的0.1~5重量％的量來(lái)提供增塑劑。可以使用任何常規(guī)的混合方法將第一條狀物的所有組分混合在一起。然而，第一條狀物的所有組分優(yōu)選利用粘滯塑性成形法混合在一起。在該方法中，將組分在高剪切條件下，例如通過(guò)雙輥混煉技術(shù)進(jìn)行混合。粘滯塑性成形法在以下文件中概述1)BR8505794(Compositioncomprisingceramicparticles);2)BR8801931(Articleofceramicmaterialandproductionthereof)J和3)High-strengthceramicsthroughcolloidalcontroltoremove10defects,Nature1987，330,51-53。例如，與在正常條件下將組分簡(jiǎn)單混合在一起并且產(chǎn)生常規(guī)帶的方法相比，粘滯塑性成形法的優(yōu)點(diǎn)在于其有助于防止單個(gè)顆粒聚集并且促進(jìn)糊料體系宏觀結(jié)構(gòu)的均一性。這導(dǎo)致更高的生料和燒結(jié)狀態(tài)下的密度和具有更均一性質(zhì)的更均勻最終陣列。這比由常規(guī)條狀物形成的結(jié)構(gòu)有益，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)陣列中更是如此。在混合過(guò)程后(無(wú)論其性質(zhì)如何)產(chǎn)生了具有骨團(tuán)狀或糊狀稠度的組合物。骨團(tuán)或糊料在性質(zhì)上優(yōu)選基本為塑性的，使其在經(jīng)受外部施加的應(yīng)力時(shí)變形并且改變其形狀，但是當(dāng)去除應(yīng)力時(shí)保持其新的形狀。該骨團(tuán)可以通過(guò)模具件擠出以形成條狀物(或帶)。擠出后的條狀物厚通常為500~1000nm。因此，為了在最終的陣列中形成更精細(xì)的特征，可以對(duì)條狀物進(jìn)行壓延。這在環(huán)境溫度(例如15~50匸)下以常規(guī)的方式來(lái)實(shí)施使條狀物穿過(guò)一對(duì)相反轉(zhuǎn)動(dòng)的輥，其中輥之間的間隙和其間施加的壓力可以調(diào)節(jié)。為了使壓延條狀物的厚度均勻并防止條狀物粘到壓延機(jī)裝備的輥上，可以在條狀物的上表面和下表面上放置聚乙烯片。聚乙烯片的厚度通常為50~200nm,但是可以使用任何常規(guī)的聚乙烯片。每個(gè)壓延過(guò)程通常使條狀物的厚度減半。經(jīng)過(guò)幾個(gè)壓延循環(huán)，帶的厚度通常減至20~200pm。第二條狀物第二條狀物包含可分解材料和第二載體材料。第二條狀物中的可分解材料也可以稱為'短效(fugitive)，材料。其在加熱時(shí)可分解。它通常在低于800",更優(yōu)選低于700"C，例如在低于600n的溫度下分解。在某些情形下，為了分解可能需要存在氧氣，例如，其分壓為0.005大氣壓或更高，更優(yōu)選為0.05大氣壓或更高。在其它情形下，可以在無(wú)氧的情況下實(shí)施分解。例如，可以用碳作為可分解材料。碳在氧氣氛中一般加熱到650*C或更高時(shí)分解成氣態(tài)產(chǎn)物。可用作可分解材料的其它材料為有機(jī)材料，例如淀粉。理想的是，在第二條狀物中以盡可能大的量提供可分解材料(例如，作為第二條狀物總組合物的一部分，30重量％或更高，更優(yōu)選35重量%)。這有助于在隨后的'燒盡，步驟中全部'燒除，第二條狀物。然而，可分解材料在實(shí)踐中優(yōu)選作為第二條狀物總組合物的一部分以60重量％或更低的量來(lái)提供。如果是以高于該量的量提供，則第二條狀物的可加工性趨向于降低，使得在隨后的加工步驟中更難以處理所述組合物。這是因?yàn)榈诙l狀物的組合物變脆且更不像流體。更優(yōu)選地，以50重量％或更低的量提供可分解材料。第二條狀物的其它性能和加工特征與第一條狀物相同并具有相同的原因。特別地，用于制備條狀物的粘滯塑性成形法在與用于第一條狀物的相同優(yōu)選條件下實(shí)施。這種類型的短效層比提供短效層的常規(guī)方法有利。例如，美國(guó)專利6183578將短效墨(fugitiveink)印在常規(guī)壓電帶上。與之相比，通過(guò)提供由例如粘滯塑性成形法制得的條狀物形式的短效層，本發(fā)明允許對(duì)最終壓電纖維陣列的尺寸進(jìn)行精確控制。此外，本發(fā)明的短效層允許對(duì)條狀物的堆進(jìn)行壓延(見(jiàn)下文)，其可以產(chǎn)生相鄰纖維之間具有小而可控的間隔的壓電纖維。條狀物的堆一旦形成第一和第二條狀物，將它們交替放置在彼此之上以形成堆。盡管可以改變這種布置(例如將兩個(gè)第一條狀物相鄰放置)，但是優(yōu)選至少一部分第一條狀物通過(guò)至少一個(gè)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)。這種布置示于圖2中。在該圖中，第一條狀物顯示為白色而第二條狀物顯示為灰色。兩種層的厚度用T1和T2表示。應(yīng)當(dāng)注意，如果層的兩個(gè)表面不平行，則將沿表面層的任意特定點(diǎn)處的厚度定義為該層的最小厚度。為獲得該層的總平均(均值)厚度，在層的長(zhǎng)度范圍內(nèi)對(duì)層厚進(jìn)行平均。典型地，總計(jì)50~500個(gè)第一和第二條狀物堆疊在彼此之上。典型地，堆厚為l4cm。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)是由層合方法的約束條12件設(shè)定的。使用常規(guī)方式將條狀物的堆層合在一起。例如，可使用商業(yè)層合機(jī)如OMNICROMCT1000(由TimesGraphicCentres提供)。一旦形成層合的條狀物的堆，可以對(duì)其進(jìn)一步壓延以減小層的厚度。這以與壓延單個(gè)條狀物相同的方式實(shí)施。經(jīng)過(guò)該壓延之后，第二條狀物的厚度可以減小至^f氐于5jim，例如2fim或以下，并且有時(shí)4氐至0.5jim。因此，該技術(shù)允許生產(chǎn)相鄰纖維之間具有小間隔的陣列。第二條狀物的厚度可以小于lOOjun，例如小于50nm,并且有時(shí)低至5nm。通過(guò)用常規(guī)的壓制工具將兩個(gè)或更多個(gè)堆壓在一起可以增加層合的條狀物的堆的厚度。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選壓制條件為25~120匸、10~100MPa的初始?jí)毫?0~120分鐘的保持時(shí)間。加熱、浸漬和切割在形成和層壓所述堆后，對(duì)堆進(jìn)行加熱、用填充材料浸漬并切割。該方法的一個(gè)實(shí)施方案示于圖3中。該圖示出在加熱前可以如何切割堆。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)這具有如下優(yōu)點(diǎn)由于在燒盡步驟中存在高的表面積，所以在該實(shí)施方案中迅速發(fā)生短效層的燒盡。這可以導(dǎo)致加熱和燒結(jié)時(shí)間減少。一個(gè)替代方案通過(guò)圖4的流程圖示出。在該實(shí)施方案中，對(duì)堆進(jìn)行加熱、用填料樹(shù)脂浸漬并隨后切割。與加熱前切割堆相比，該實(shí)施方案具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，可以選擇填充材料的性質(zhì)以提供良好的機(jī)械性能，由此便于切割坯體并有助于確保切割過(guò)程干凈而平整。此外，因?yàn)閴弘娎w維的許多陣列可以通過(guò)一個(gè)加熱循環(huán)來(lái)產(chǎn)生，所以其允許對(duì)堆進(jìn)行更為有效的加熱和燒結(jié)。與此相反，如果在加熱前將堆切成單個(gè)陣列，則每個(gè)陣列需要單獨(dú)燒結(jié)。因此，替代方案是有利的，尤其對(duì)壓電纖維陣列的大規(guī)模生產(chǎn)是有利的。該替代方案對(duì)于4cm或更小厚度的堆是尤其優(yōu)選的，其中本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)可分解產(chǎn)物的分解所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物和載體材料可以在加熱條件下足夠快而有效地逸出。13合適的填充材料包括環(huán)氧樹(shù)脂。合適的環(huán)氧樹(shù)脂的實(shí)例為CY1301/HY1300(VanticoPolymerSpecialtiesDivision,瑞士)，其中CY1301作為基礎(chǔ)樹(shù)脂和HY1300作為硬化劑。通常，加熱步驟包括三個(gè)獨(dú)立階段(i)以足以除去所述第一和第二溶劑的溫度和時(shí)間加熱(切割或未切割的)堆；(ii)然后以足以除去第一和第二粘合劑以及可分解材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆；和然后(iii)以足以燒結(jié)壓電材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆。上述3步加熱過(guò)程允許燒結(jié)前高效且有效地去除可分解材料和粘合劑(即載體)。氧氣氛可以促進(jìn)某些組分的去除。對(duì)于加熱過(guò)程，可以用鉑絲將所述堆掛在加熱爐內(nèi)。鉑絲編織于穿過(guò)堆材料的小孔內(nèi)。該加熱方法允許在加熱過(guò)程中在整個(gè)堆內(nèi)形成均勻的應(yīng)力分布。這還避免了在加熱過(guò)程中將污染物帶進(jìn)層合結(jié)構(gòu)中。加熱過(guò)程的第一步驟是除去溶劑。本發(fā)明所用溶劑通常為相對(duì)揮發(fā)性的，因此僅需要在30~100匸下(例如在約大氣壓下)加熱所述堆以除去溶劑。確切的干燥過(guò)程將取決于堆中的層的尺寸、厚度和數(shù)目。例如，4cm或更大厚度的堆可能需要2天或更多天來(lái)充分干燥。而0.5cm或更小厚度的較薄堆可需要少于2天來(lái)充分干燥。如果加熱前已切割堆，可能只需要6小時(shí)或更長(zhǎng)的加熱時(shí)間?？梢栽谡婵?例如在0.1大氣壓或更低，更優(yōu)選0.01大氣壓或更低)下實(shí)施所述加熱以便于去除溶劑。它還可以在惰性氣氛中實(shí)施。該加熱過(guò)程的第二步驟是粘合劑的去除和可分解材料的分解。諸如碳的可分解材料通常在650~800"C的溫度下分解。具體過(guò)程也取決于堆中層的尺寸、厚度和數(shù)目。例如，4cm厚或更厚的堆可需要多于24小時(shí)來(lái)使可分解材料完全分解。而0.5cm或更小厚度的較薄堆可需要少于24小時(shí)來(lái)使可分解材料分解。如果加熱前已切割堆，則可只需要12小時(shí)或更少的加熱時(shí)間。由于可分解材料經(jīng)常需要存在氧來(lái)使材料分解，所以該步驟經(jīng)常在含氧氣氛中(例如氧分壓為0.005大氣壓或更高，更優(yōu)選氧分壓為0.05大氣壓或更高)、例如在空氣中實(shí)施。諸如基于聚乙烯或聚乙烯骨架的聚合物的粘合劑一般在250~800'C的溫度下去除。具體的加熱過(guò)程也取決于堆中層的尺寸、厚度和數(shù)目。例如，4cm厚或更厚的堆可需要超過(guò)24小時(shí)來(lái)去除粘合劑。而0.5cm或更小厚度的較薄堆可需要少于24小時(shí)來(lái)去除粘合劑。如果加熱前已切割堆，可以只需要12小時(shí)或更少的加熱時(shí)間。根據(jù)所用粘合劑的類型和短效材料，可以在不存在氧(例如氧分壓為0.005大氣壓或更低，更優(yōu)選基本無(wú)氧的氣氛)的情況下實(shí)施加熱。所述加熱還可以在惰性氣氛(例如稀有氣體，如氬氣)中實(shí)施。該加熱過(guò)程的第三步為壓電材料的燒結(jié)。這通常在高于iooox:、例如1200C的溫度下，在空氣或氧氣氛中進(jìn)行。溫度通常低于1400n，其原因是燒結(jié)過(guò)程中在堆中可能出現(xiàn)不利反應(yīng)。燒結(jié)所需時(shí)間與堆的尺寸相對(duì)無(wú)關(guān)，并且通常為20分鐘至2小時(shí)。燒結(jié)步驟的確切條件(最高溫度、停留時(shí)間和氣氛)將取決于復(fù)合材料中所用壓電材料的類型?？梢允褂梦闹兴o出的值，例如，用于鋯鈦酸鉛材料的值。對(duì)于某些材料，可以在不存在氧(例如氧分壓為0.005大氣壓或更低，更優(yōu)選基本無(wú)氧的氣氛)的情況下進(jìn)行燒結(jié)。所述加熱還可以在惰性氣氛(例如稀有氣體，如氬氣)中實(shí)施?？梢酝ㄟ^(guò)示差掃描量熱法(DSC)來(lái)確定適合用于去除粘合劑、用于分解可分解材料和用于燒結(jié)的確切溫度。燒結(jié)過(guò)程還可以導(dǎo)致壓電材料的致密化。這將被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。燒結(jié)之后，使堆(切割或未切割的)冷卻，然后，通常在真空下用填充材料浸漬所述堆。這通過(guò)將樹(shù)脂和硬化劑徹底混合來(lái)實(shí)施。對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂CY1301/HY1300混合物的具體實(shí)例，4吏用100:30的重量比。混合物對(duì)堆的浸漬在真空條件(即優(yōu)選O.l大氣壓或更低，更優(yōu)選O.Ol大氣壓或更低)下實(shí)施。如以上文解釋的，可以在加熱前或加熱后切割所述堆。在任一種情15況下，都使用精密切削工具例如Accutom-50(Struers)對(duì)堆進(jìn)行切割。任選地，如果必要的話，可以重疊復(fù)合材料的條狀物以進(jìn)一步減小和/或控制厚度。添加電極最后，一旦已形成含壓電纖維陣列的復(fù)合材料，可以向該陣列添加電極。優(yōu)選地，這些電極為叉指狀電極。為制備叉指狀電極，通常將電極圖案印刷到聚合物膜上。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，可使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在聚酰亞胺薄膜上生產(chǎn)所需的IDE圖案(例如銀環(huán)氧樹(shù)脂)。特別地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對(duì)于在聚酰亞胺薄膜上制備表面質(zhì)量和電導(dǎo)性更佳的叉指狀電極(例如銅)，印刷電路板(PCB)技術(shù)是優(yōu)選的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，許多其它材料例如金可用作電極材料。產(chǎn)品本發(fā)明還涉及通過(guò)本發(fā)明方法生產(chǎn)的特定產(chǎn)品。特別地，本發(fā)明涉及由本發(fā)明方法制得的產(chǎn)品。這些包括第一和第二條狀物的層合堆。上文描述了這些第一和第二條狀物的優(yōu)選特征。本發(fā)明還涉及壓電纖維陣列，其中單根壓電纖維基本互相平行取向并且兩根相鄰纖維之間的平均最小間隔為5nm或更小。優(yōu)選地，單根壓電纖維具有基本為四邊形的截面。該陣列可以通過(guò)本發(fā)明的方法制造。本發(fā)明還涉及包含本發(fā)明陣列的激勵(lì)器。該激勵(lì)器可以用于例如自適應(yīng)變形鏡(adaptablemirror)和透鏡以及振動(dòng)和噪音控制及能量收集中。實(shí)施例通過(guò)粘塑加工由下面的組合物制得壓電骨團(tuán)1000克PZT，55克PVB，45克環(huán)己酮，25克鄰苯二曱酸二正丁酯和1克硬脂酸。16通過(guò)粘塑加工由下面的組合物制得短效骨團(tuán)300克碳，100克PVB,130克環(huán)己酮，60克鄰苯二甲酸二正丁酯和1克硬脂酸。然后將VPP組合物單獨(dú)放進(jìn)桶中并通過(guò)模具件擠出以形成條狀物。然后將條狀物放進(jìn)分開(kāi)的聚乙烯袋內(nèi)并(分別)壓延直至獲得所需的厚度。每次壓延后更換聚乙烯袋。聚乙烯厚度為O.llmm。預(yù)計(jì)還可以將兩種組合物共擠出以產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)。PZT和碳堆的形成通過(guò)層壓和壓延來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將頂側(cè)和底側(cè)用聚乙烯保護(hù)的PZT和碳的兩個(gè)新鮮層(剝離聚乙烯之后)接合實(shí)現(xiàn)了多層的構(gòu)建。使用商業(yè)層合機(jī)(OMNICROMCTIOOO(TimesGraphicCentres))進(jìn)行層壓，溫度設(shè)為1.5。然后壓制層壓材料。在該情形中，在801C和50~60MPa下將層壓材料壓制60分鐘。然后干燥層壓的堆。已發(fā)現(xiàn)干燥過(guò)程取決于層壓材料的層的尺寸、厚度和數(shù)目。對(duì)于0.5cm厚度或更小厚度的薄堆，在40和801C下分別花費(fèi)約24小時(shí)。對(duì)于總厚度為4cm的生層壓材料，在80"C下花費(fèi)3-4天。發(fā)現(xiàn)在層壓材料的本體部分(純PZT部分)中鉆幾個(gè)孔有助于干燥應(yīng)力的釋放，所述孔還用于在后續(xù)燒結(jié)過(guò)程中用于鉑絲懸掛的目的。對(duì)于較厚的生坯，在坯體上放置少量負(fù)載來(lái)幫助維持其形狀。然后燒結(jié)生層壓材料。在層壓材料中鉆直徑為約12mm的孔。使用鉑絲將層壓材料懸掛在加熱爐內(nèi)的氧化鋁棒上。實(shí)施如下加熱/燒結(jié)方案(i)對(duì)于厚層壓材料lr/分鐘至325X:,保持12小時(shí)；lt:/分鐘至600"C，保持15小時(shí)；5C/分鐘至1200X:，保持2小時(shí)；5匸/分鐘至401C。(ii)對(duì)于薄片:lt:/分鐘至325",保持4小時(shí);in/分鐘至600'C，保持8小時(shí)；5匸/分鐘至1200n，保持l小時(shí)；5X:/分鐘至40n。然后用環(huán)氧樹(shù)脂回填該層壓材料、切割并在兩個(gè)表面上都裝配IDE電極。圖5A中示出在燒結(jié)前形成為中間體的堆(生坯)的實(shí)例。使用該17方法制得的復(fù)合材料的實(shí)例示于圖5B~C中。接上一組電極的復(fù)合材料的實(shí)例示于圖6A~C中。由復(fù)合材料(連接到0.25mm的銅片)造成的位移示于圖7中。權(quán)利要求1.一種生產(chǎn)包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法，所述方法包括(a)提供(a1)多個(gè)包含壓電材料或壓電材料前體和第一載體的第一條狀物，和(a2)多個(gè)包含可分解材料和第二載體的第二條狀物；(b)將所述多個(gè)所述第一和第二條狀物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一條狀物通過(guò)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)；(c)一個(gè)或更多個(gè)加熱步驟，包括加熱所述堆以除去所述第一和第二載體及所述可分解材料；(d)用填充材料浸漬所述堆以形成壓電條狀物的復(fù)合材料堆；和(e)切割所述堆以形成包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料。2.—種生產(chǎn)包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法，所述方法包括(a)提供(al)多個(gè)包含壓電材料或壓電材料前體和第一載體的第一條狀物，和(a2)多個(gè)包含可分解材料和第二載體的第二條狀物；(b)將所述多個(gè)所述第一和第二條狀物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一條狀物通過(guò)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)；(c)切割所述堆以形成壓電纖維陣列；(d)—個(gè)或更多個(gè)加熱步驟，包括加熱所述陣列以除去所述第一和第二載體及所述可分解材料；和(e)用填充材料浸漬所述堆以形成包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一和/或第二載體包含粘合劑材料和溶劑。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一和/或第二條狀物通過(guò)粘滯塑性成形法形成。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟(b)和(c)之間壓延所述堆。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述堆中的所述第二糸狀物的-T'均厚度小于5Ttm。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述壓電材料包括摻雜和/或未摻雜的鋯鈦酸鉛。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述壓電材料和壓電材料前體的總量為所述第一條狀物的70~95重量％。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述可分解材料包含元素碳。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述可分解材料的量為所述第二條狀物的30~60重量％。11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在所述加熱步驟中(i)以足以除去所述第一和第二溶劑的溫度和時(shí)間來(lái)加熱所述堆；(ii)然后以足以除去第一和第二粘合劑以及可分解材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆；和然后(m)以足以燒結(jié)所述壓電材料的溫度和時(shí)間加熱所述堆。12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一和/或第二溶劑包括環(huán)己酮和/或水。13.根據(jù)權(quán)利要求11和12所述的方法，其中在30100"C的溫度下加熱所述堆。14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一和/或第二粘合劑包括聚乙烯醇縮丁醛和/或聚乙烯醇。15.根據(jù)權(quán)利要求11和14所述的方法，其中在步驟(c2)中在650~800X:的溫度下加熱所述堆以除去所述可分解材料。16.根據(jù)權(quán)利要求9和15所述的方法，其中在步驟(c2)中在250~800"的溫度下加熱所述堆以除去所述第一和第二粘合劑。17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述填充材料包括環(huán)氧樹(shù)脂。18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括將一個(gè)或更多個(gè)電極沉積到所述復(fù)合材料上，所述電極配置為能夠產(chǎn)生穿過(guò)至少部分壓電纖維陣列的電場(chǎng)。19.一種壓電纖維陣列，其中各壓電纖維基本上相互平行取向并且兩根相鄰纖維之間的平均最小間隔為5jim或更小。20.權(quán)利要求19所述的陣列，其中所述各壓電纖維具有基本上為四邊形的截面。21.權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的陣列，其中所述陣列通過(guò)權(quán)利要求1~18中任一項(xiàng)所述的方法制造。22.—種激勵(lì)器，其包含權(quán)利要求19~21中任一項(xiàng)所述的陣列。23.—種堆，其包含交替的(i)壓電材料或壓電材料前體和第一載體，和(ii)可分解材料和第二載體的條狀物。全文摘要本發(fā)明提供一種生產(chǎn)包含壓電纖維陣列的復(fù)合材料的方法，該方法包括(a)提供(a1)多個(gè)包含壓電材料或壓電材料前體和第一載體的第一條狀物，和(a2)多個(gè)包含可分解材料和第二載體的第二條狀物；(b)將所述多個(gè)所述第一和第二條狀物交替放置在彼此之上以形成堆，其中至少部分所述第一條狀物通過(guò)第二條狀物與相鄰的第一條狀物分開(kāi)；(c)加熱步驟，其包括加熱所述堆以除去所述第一和第二載體和所述可分解材料；(d)用填充材料浸漬所述堆以形成壓電條狀物的復(fù)合材料堆；和(e)切割所述堆以形成含壓電纖維陣列的復(fù)合材料。在一個(gè)替代方法中，切割(e)在加熱步驟(c)之前進(jìn)行。該方法允許生產(chǎn)平均纖維間隔為5μm或更小的纖維陣列。文檔編號(hào)H01L41/22GK101689598SQ200780052548公開(kāi)日2010年3月31日申請(qǐng)日期2007年3月5日優(yōu)先權(quán)日2007年3月5日發(fā)明者卡爾·梅格斯,斗張,杰弗瑞·多爾曼,蒂莫西·威廉·布頓申請(qǐng)人:伯明翰大學(xué)