專利名稱：一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料及其制備方法
一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電功能材料領(lǐng)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(fù)合材料，同時涉及一種該壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法。
二、背景技術(shù)智能結(jié)構(gòu)的核心是智能材料。智能結(jié)構(gòu)中傳感器實現(xiàn)將機械量(應(yīng)變、位移、速度 等)轉(zhuǎn)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(yīng)變片、壓電材 料和光導(dǎo)纖維等。在智能結(jié)構(gòu)中，研究較多的傳感器與驅(qū)動器材料是壓電材料。
智能結(jié)構(gòu)大多采用功能器件與基體結(jié)構(gòu)相集成的結(jié)構(gòu)形式，為了便于與結(jié)構(gòu)基 體相集成，這對智能結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(rèn)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(jié)構(gòu) 做了大量的研究。然而，在實際應(yīng)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(yīng)用于曲面。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)集成，當(dāng)埋入基體結(jié)構(gòu)時，對結(jié)構(gòu)的強度和 可靠性影響很大，也會改變結(jié)構(gòu)的許多性能，甚至影響結(jié)構(gòu)的使用，縮短其使用壽命。 滿足智能結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yīng)用于彎 曲的平面，因此限制了壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用。
為了彌補單片壓電陶瓷的不足，Bent等人開發(fā)了一種新的壓電復(fù)合執(zhí)行器。壓 電復(fù)合材料結(jié)合壓電陶瓷材料和結(jié)構(gòu)中不活躍的額外附加成分，形成一個整體執(zhí)行器/ 傳感器包。通過這種方式，壓電陶瓷及其他結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)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(chuàng)造了具有優(yōu)越性能的驅(qū)動器。基于此種材料無可 爭辯的優(yōu)勢，壓電纖維復(fù)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(jīng)過一定的燒結(jié)工 藝，成功地制備了壓電纖維。制備的主動壓電纖維復(fù)合材料(AFC)是把橫截面為圓形的 PZT纖維橫向排列在環(huán)氧聚合物中，是各相異性的驅(qū)動器。區(qū)別于傳統(tǒng)的電極產(chǎn)生垂直 于纖維方向的電場，AFCs由于進(jìn)行了雙交叉電極(IDE)設(shè)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^3值，進(jìn)而使封裝壓電陶 瓷應(yīng)變翻了一番，同時，其應(yīng)變能密度提高了三倍左右。
盡管AFC的相關(guān)研究較多，其在傳感和驅(qū)動方面也有較多應(yīng)用，但是，尚有一 些困難阻礙了 AFC的性能。比如ID^和圓柱形壓電纖維直接的結(jié)合強度與AFC最優(yōu) 性能的匹配問題。纖維直接結(jié)構(gòu)的的變化，降低了各個致動器件的可重復(fù)性，且增大了 批量生產(chǎn)的成本。AFC設(shè)計的這些缺陷導(dǎo)致了其他具有性能更優(yōu)的壓電纖維夫和材料(PFC)致動器件的發(fā)展，而兩者則采用了同樣的設(shè)計理念。盡管AFC和傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(qū)動電壓。
針對AFC的優(yōu)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(yīng)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(jīng)過一定的燒 結(jié)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(huán)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(zhuǎn)換效率。另外，MFC中的PZT纖維是從傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)，成功地制備了多種功能的壓電纖維及 其器件。
三、發(fā)明內(nèi)容1、技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料(簡稱 為MFC)，該復(fù)合材料由壓電陶瓷薄片和高分子材料聚合物如環(huán)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(fù)合材料的方法。
2、技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的制備壓電陶瓷纖維復(fù)合材料 的方法包括下列步驟步驟一制備MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料用壓電陶瓷粉體的固相合成根據(jù)待制備 的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的壓電陶瓷分子式中各元素的摩爾比稱取原料，將所稱原料球 磨混合后干燥2，再進(jìn)行研磨并預(yù)燒，將預(yù)燒過的粉體再次進(jìn)行球磨，干燥并研磨后過孔 徑為50-55微米的分選篩，即得所需的壓電陶瓷粉體；步驟二 流延漿料的制備稱取壓電陶瓷粉體，并在陶瓷粉體加入混合溶劑和分散 劑，進(jìn)行球磨2 18小時；再加入粘結(jié)劑和增塑劑，進(jìn)行二次球磨2 18小時，得到流延漿 料；所述的混合溶劑一般選取丁酮和酒精的混合物，分散劑為玉米油；所述的粘結(jié)劑一 般選到聚乙烯醇縮丁醛，增塑劑一般選取鄰苯二甲酸二丁酯； 步驟三將得到的流延漿料置于容器中并脫泡2 6小時；步驟四流延薄片的制備將流延成型機調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，保持第一道刀口比第二 道刀口高10 15微米；將步驟三所得的流延漿料倒入流延成型機的刀口槽中，調(diào)節(jié)流延 成型機膠帶的運動速率為0.5-1ιη/ ι，流延得到所需長度的薄片；步驟五將步驟四所得的薄片干燥5-10小時后，按所需尺寸剪下并疊層壓制成型， 得到壓電纖維流延薄片；步驟六流延薄片的燒結(jié)將所得的壓電纖維流延薄片置于氧化鋁坩堝進(jìn)行燒結(jié)； 為達(dá)到較好的燒結(jié)效果，可將氧化鋁坩鍋的縫隙進(jìn)行密封燒結(jié)；步驟七M(jìn)FC壓電纖維復(fù)合材料的制備將燒結(jié)好的各壓電陶瓷流延薄片疊層放 置，并在各壓電陶瓷薄片表面涂覆環(huán)氧樹脂，使其成為一個壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂相 間排列的結(jié)構(gòu)，經(jīng)M小時固化以后，利用全自動內(nèi)圓切割機切割成所需尺寸。
本發(fā)明的方法利用傳統(tǒng)的固相法合成壓電陶瓷粉體，將粉體配制成漿料，然后 利用流延成型法制備壓電陶瓷坯片，燒結(jié)后得到壓電陶瓷薄片。在各壓電陶瓷薄片表面 涂覆環(huán)氧樹脂等，使其成為一個壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂相間排列的多層結(jié)構(gòu)，經(jīng)切割制得MFC壓電纖維復(fù)合材料。
3、有益效果本發(fā)明的MFC壓電纖維復(fù)合材料經(jīng)叉指電極極化后可以作為驅(qū) 動器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)控制、振動抑制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景；本發(fā)明 的MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法利用成熟的流延成型法和固相合成法，并結(jié)合 高分子材料得到具有復(fù)合層的材料，方法簡單。
四具體實施方式
實施例一本實施例為PNN-PZT壓電陶瓷纖維與環(huán)氧樹脂的MFC材料的制備方 法，有如下步驟步驟一制備MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料用PNN-PZT粉體的固相合成 原料為 PbO (99.9%), TiO2 (99.9%), ZrO2 (99.9%), Nb2O5 (99.5%), NiO (99.97%)， PNN-PZT的化學(xué)式為[Pb(Nb^NiJCyc^-pb(Zra3Tia7)03]α45,按照化學(xué)式中各元素的摩 爾比計算稱量各原料。將所稱原料球磨混合M小時，然后在100 °C干燥M小時，研磨 后在1050 °C下預(yù)燒2小時。預(yù)燒過的粉體再次球磨M小時，干燥研磨后過孔徑為53微 米的分選篩，即得所需PNN-PZT粉體； 步驟二 PNN-PZT漿料的制備根據(jù)需要稱取壓電陶瓷粉體，并在陶瓷粉體加入混合溶劑和分散劑，進(jìn)行球磨2 18 小時；混合溶劑可選取用丁酮和酒精的混合物，分散劑為玉米油；在所得的原料中加入 粘結(jié)劑和增塑劑，進(jìn)行二次球磨2 18小時，得到流延漿料；所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮 丁醛(PVB)，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)；步驟三MFC壓電纖維復(fù)合材料中流延薄片的制備將得到的流延漿料置于容器中并脫泡2 6小時，一般置于小型真空脫泡機中進(jìn)行脫 泡；將流延成型機調(diào)至水平狀態(tài)，保持第一道刀口比第二道刀口高10微米，同時保持設(shè) 備干凈，刀口、塑料膠帶清洗干凈；將上述所得的漿料倒入流延成型機的刀口槽中，調(diào) 節(jié)流延成型機膠帶的運動速率為0.5-1ιη/ ι，流延所需長度的薄片之后，將薄片在流延 機上干燥5-10小時，然后把干燥好流延薄片連同膠帶一起剪下；將薄片剪成一定尺寸， 疊層，在一定壓力下壓制成型；步驟四PNN-PZT流延薄片的燒結(jié)將干燥好的壓電纖維流延薄片放入氧化鋁坩堝中。為了防止鉛的揮發(fā)，先用氧化鋯 粉將氧化鋁平板埋好，蓋上蓋子，并且用氧化鋁泥密封好蓋子和坩堝之間的縫隙。燒結(jié) 工藝前段采取慢燒(約100 0C /h)，目的在于將壓電陶瓷中的有機物去除。600 0C以后 采取快燒工藝，燒結(jié)溫度只保溫2小時，最大程度地減少鉛的揮發(fā)，保證壓電纖維的組 成；步驟五MFC壓電纖維復(fù)合材料的制備將燒結(jié)好的各壓電陶瓷流延薄片疊層放置，并在各壓電陶瓷薄片表面涂覆環(huán)氧樹 脂，使其成為一個壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂相間排列的結(jié)構(gòu)，經(jīng)M小時固化以后，利用 全自動內(nèi)圓切割機切割成所需的尺寸，即得到MFC壓電纖維復(fù)合材料。
實施例二 本實施例為PZT壓電陶瓷纖維與環(huán)氧樹脂的MFC材料的制備方 法步驟一制備MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料用PZT粉體的固相合成所用的原料為 PbO (99.9%), TiO2 (99.9%), ZrO2 (99.9%)，PZT 的化學(xué)式為Pb(Zra52Tia48)O3,按照化學(xué)式中各元素的摩爾比計算稱量各原料。將所稱原料球磨混合M 小時，然后在100°c干燥M小時，研磨后在1050 °C下預(yù)燒2小時。預(yù)燒過的粉體再次 球磨M小時，干燥研磨后過孔徑為53微米的分選篩，即得所需PNN-PZT粉體。
步驟二 PZT漿料的制備根據(jù)需要稱取壓電陶瓷粉體，并在陶瓷粉體加入混合溶劑和分散劑，進(jìn)行球磨2 18 小時；混合溶劑可選取用丁酮和酒精的混合物，分散劑為玉米油；在所得的原料中加入 粘結(jié)劑和增塑劑，進(jìn)行二次球磨2 18小時，得到流延漿料；所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮 丁醛(PVB)，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)；步驟三MFC壓電纖維復(fù)合材料中流延薄片的制備將得到的流延漿料置于燒杯中并脫泡2 6小時，一般置于小型真空脫泡機中進(jìn)行脫 泡；將流延成型機調(diào)至水平狀態(tài)，保持第一道刀口比第二道刀口高15微米，同時保持設(shè) 備干凈，刀口、塑料膠帶清洗干凈；將上述所得的漿料倒入流延成型機的刀口槽中，調(diào) 節(jié)流延成型機膠帶的運動速率為0.5-1ιη/ ι，流延所需長度的薄片之后，將薄片在流延 機上干燥5-10小時，然后把干燥好流延薄片連同膠帶一起剪下；將薄片剪成一定尺寸， 疊層，在一定壓力下壓制成型； 步驟四PZT流延薄片的燒結(jié)將干燥好的壓電纖維流延薄片放入氧化鋁坩堝中。為了防止鉛的揮發(fā)，用氧化鋯粉 將氧化鋁平板埋好，蓋上蓋子，并且用氧化鋁泥密封好蓋子和坩堝之間的縫隙。燒結(jié)工 藝前段采取慢燒(約100 0C /h)，目的在于將壓電陶瓷中的有機物去除。600 0C以后采取 快燒工藝，燒結(jié)溫度只保溫2小時，最大程度地減少鉛的揮發(fā)，保證壓電纖維的組成； 步驟五MFC壓電纖維復(fù)合材料的制備將燒結(jié)好的各壓電陶瓷流延薄片疊層放置，并在各壓電陶瓷薄片表面涂覆環(huán)氧樹 脂，使其成為一個壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂相間排列的結(jié)構(gòu)，經(jīng)M小時固化以后，利用 全自動內(nèi)圓切割機切割成一定尺寸，即得到MFC壓電纖維復(fù)合材料。
實施例三本實施例為一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料，其中壓電陶瓷薄片 為PNN-PZT，共四層，各壓電陶瓷薄片之間為環(huán)氧樹酯層；環(huán)氧樹酯層為涂覆在 PNN-PZT表面的高分子材料層。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料，其特征在于，由壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂薄片間隔 地排列組成。
2.一種用于制備如權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，包括下列步驟步驟一根據(jù)待制備的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的壓電陶瓷分子式中各元素的摩爾比 稱取原料，將所稱原料球磨混合后干燥2，再進(jìn)行研磨并預(yù)燒，將預(yù)燒過的粉體再次進(jìn)行 球磨，干燥并研磨后過孔徑為50-55微米的分選篩，即得所需的壓電陶瓷粉體；步驟二 稱取壓電陶瓷粉體，并在陶瓷粉體加入混合溶劑和分散劑，進(jìn)行球磨2 18 小時；再加入粘結(jié)劑和增塑劑，進(jìn)行二次球磨2 18小時，得到流延漿料；步驟三將得到的流延漿料置于容器中并脫泡2 6小時；步驟四將流延成型機調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，保持第一道刀口比第二道刀口高10 15微 米；將步驟三所得的流延漿料倒入流延成型機的刀口槽中，調(diào)節(jié)流延成型機膠帶的運動 速率為0.5-lm/min，流延得到所需長度的薄片；步驟五將步驟四所得的薄片干燥5-10小時后，按所需尺寸剪下并疊層壓制成型， 得到壓電纖維流延薄片；步驟六將所得的壓電纖維流延薄片置于氧化鋁坩堝進(jìn)行燒結(jié)；步驟七將燒結(jié)好的各壓電陶瓷流延薄片疊層放置，并在各壓電陶瓷薄片表面涂覆 環(huán)氧樹脂，使其成為一個壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂相間排列的結(jié)構(gòu)，經(jīng)24小時固化以 后，利用全自動內(nèi)圓切割機切割成所需尺寸。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中， 所述的混合溶劑為丁酮和酒精的混合物，分散劑為玉米油。
4.如權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中， 所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯。
5.如權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟六中， 在密封狀態(tài)下，將所得的壓電纖維流延薄片置于氧化鋁坩堝進(jìn)行燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電陶瓷纖維復(fù)合材料，由壓電陶瓷薄片和環(huán)氧樹脂薄片間隔地排列組成，同時公開了這種復(fù)合材料的制備方法，主要包括下列步驟制備MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料用壓電陶瓷粉體的固相合成、流延漿料的制備、脫泡、流延薄片的制備、流延薄片的燒結(jié)和MFC壓電纖維復(fù)合材料的制備等步驟。本發(fā)明的MFC壓電纖維復(fù)合材料經(jīng)叉指電極極化后可以作為驅(qū)動器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)控制、振動抑制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景；本發(fā)明的MFC壓電陶瓷纖維復(fù)合材料的制備方法利用成熟的流延成型法和固相合成法，并結(jié)合高分子材料得到具有復(fù)合層的材料，方法簡單。
文檔編號H01L41/18GK102024901SQ20101051461
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者季宏麗, 朱孔軍, 王會, 裘進(jìn)浩 申請人:南京航空航天大學(xué)