本發(fā)明涉及磁電復(fù)合材料領(lǐng)域，具體而言，涉及一種應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

磁致伸縮材料是一類基于磁能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的智能材料，可以將環(huán)境中電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。壓電晶體材料是一類基于機(jī)械能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的智能材料，可以捕獲環(huán)境中不被利用的振動(dòng)能或聲波能等轉(zhuǎn)換成可利用的電能，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。

磁電復(fù)合材料材料是一類以機(jī)械能為能量傳遞介質(zhì)，基于磁能與電能之間轉(zhuǎn)換的智能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，由具備機(jī)械能與電能之間互相轉(zhuǎn)換的壓電材料和磁能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的磁致伸縮材料復(fù)合而成。由于其獨(dú)特的磁電耦合性能，且具備磁電轉(zhuǎn)換效率高、易于集成和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，磁電復(fù)合材料在驅(qū)動(dòng)、傳感、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和能量采集等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在無(wú)線通訊高速發(fā)展的今天，環(huán)境中充斥著大量無(wú)線通訊基站，由此產(chǎn)生大量的不被充分利用的電磁波，利用磁電復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)將空間中電磁能轉(zhuǎn)變成可以用電能，并加以重復(fù)利用，可以節(jié)約能源，同時(shí)降低電磁污染。

將磁電復(fù)合材料置于交變的磁場(chǎng)中，由于磁致伸縮效應(yīng)，復(fù)合材料中的磁致伸縮材料產(chǎn)生周期性伸縮振動(dòng)，并將振動(dòng)通過(guò)應(yīng)力傳輸至壓電晶體材料，從而使復(fù)合材料中的壓電晶體材料也產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮振動(dòng)，通過(guò)壓電效應(yīng)使壓電晶體材料產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)磁能與電能之間的轉(zhuǎn)換，達(dá)到同時(shí)采集環(huán)境中振動(dòng)能和磁能轉(zhuǎn)并換成可利用電能之目的。然而，現(xiàn)有磁電復(fù)合材料，降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間容易發(fā)生脫粘和脆裂，降低其使用壽命。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，以解決現(xiàn)有磁電復(fù)合材料中的降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間容易發(fā)生脫粘和脆裂、使用壽命低的問題。所述的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，利用聚合物相實(shí)現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結(jié)和應(yīng)力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的服役周期和穩(wěn)定性。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的制備方法，該方法對(duì)擠制成型模具進(jìn)行設(shè)計(jì)或機(jī)械加工打孔，可以很容易制備出孔隙形狀、尺寸及體積分?jǐn)?shù)系列化的蜂窩狀磁致伸縮材料，采用模壓成型技術(shù)或切割法，可以很容易制備出與蜂窩狀磁致伸縮材料結(jié)構(gòu)匹配的柱狀壓電晶體材料陣列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能系列化的磁電復(fù)合材料的批量化制備，具有方便、簡(jiǎn)單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，包括磁化的磁致伸縮材料層和極化的壓電晶體材料柱，所述磁致伸縮材料層具有蜂窩狀排列的通孔結(jié)構(gòu)，所述壓電晶體材料柱貫穿設(shè)置于所述磁致伸縮材料層的通孔內(nèi)，所述壓電晶體材料柱的兩端與所述磁致伸縮材料層的上下兩個(gè)表面齊平，所述壓電晶體材料柱與所述磁致伸縮材料層之間填充有聚合物填充層，所述壓電晶體材料柱的兩端鍍覆電極。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層的通孔的分布為m×n的列陣，其中，m≥2，n≥2。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層的厚度不小于50μm；

更進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層的材料為鐵氧體磁致伸縮材料、金屬磁致伸縮材料或者巨磁致伸縮材料中的一種。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體材料柱的橫截面形狀與所述通孔的橫截面形狀相匹配；

進(jìn)一步地，所述通孔的橫截面為圓形、矩形或正多邊形的一種。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體材料柱與所述通孔同軸設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層的橫截面積不小于1cm²；所述通孔的橫截面積不小于300μm²。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體柱的材料為壓電陶瓷材料或者壓電單晶材料中的一種；

更進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷材料為pzt、bt或者knn體系中的一種；

更進(jìn)一步地，所述壓電單晶材料pmnt或者pznt體系中的一種。

進(jìn)一步地，所述聚合物填充層的厚度不小于50μm；

更進(jìn)一步地，所述聚合物填充層的材料為熱固性樹脂，優(yōu)選的熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂或酚醛樹脂中的一種。

進(jìn)一步地，所述的電極層的材料為cu、au或ag中的一種。

如上所述的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將磁致伸縮材料層制備為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，將壓電晶體材料制備為與所述蜂窩狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的柱體列陣結(jié)構(gòu)，且列陣中每個(gè)壓電晶體材料柱與蜂窩狀的磁致伸縮材料層中的柱型通孔一一對(duì)應(yīng)；

(2)、將壓電晶體材料柱的列陣嵌入蜂窩狀磁致伸縮材料層的柱型通孔中，且所述柱型通孔與壓電晶體材料柱的軸心位置重疊，將聚合物膠液填充入壓電晶體材料柱與磁致伸縮材料層之間的空隙之中，經(jīng)真空固化獲得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(3)、將固化后的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)沿厚度方向進(jìn)行切割，獲得片狀磁電復(fù)合材料，在壓電晶體材料柱的兩個(gè)底面鍍覆電極層，并分別對(duì)磁致伸縮材料和壓電晶體材料進(jìn)行磁化和極化處理，即該應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；

進(jìn)一步地，在步驟(1)中，所述將磁致伸縮材料層制備為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，采用的制備方法為擠出成型法或者采用機(jī)械加工打孔的方法；

進(jìn)一步地，所述將壓電晶體材料制備為與所述蜂窩狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的柱體列陣結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，采用的制備方法為模壓法或切割法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本申請(qǐng)所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，利用聚合物相實(shí)現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結(jié)和應(yīng)力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的服役周期和穩(wěn)定性。

(2)本申請(qǐng)所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的制備方法，具有方便、簡(jiǎn)單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1所示的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料涂覆電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記：

1-磁致伸縮材料層；2-通孔；

3-壓電晶體材料柱；4-填充層；

5-電極。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，下列所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實(shí)施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過(guò)市售購(gòu)買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

實(shí)施例

一種應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，包括磁化的磁致伸縮材料層1和極化的壓電晶體材料柱3，所述磁致伸縮材料層1具有蜂窩狀排列的通孔2結(jié)構(gòu)，所述壓電晶體材料柱3貫穿設(shè)置于所述磁致伸縮材料層1的通孔2內(nèi)，所述壓電晶體材料柱3的兩端與所述磁致伸縮材料層1的上下兩個(gè)表面齊平，所述壓電晶體材料柱3與所述磁致伸縮材料層1之間填充有聚合物填充層4，所述壓電晶體材料柱3的兩端鍍覆電極5。

本申請(qǐng)所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，磁致伸縮材料層1制備為蜂窩狀，其通孔2可以為任意形狀，也可以為單一特定形狀。通孔2的分布可以為均勻分布、列陣分別和非均勻任意分布。通孔2內(nèi)置等高的壓電晶體材料柱3，壓電晶體材料柱3的形狀也可以任意設(shè)置，可以為特定形狀，也可以為不規(guī)則形狀。兩種材料之間設(shè)置有機(jī)聚合物填充層4。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層1的通孔2的分布為m×n的列陣，其中，m≥2，n≥2。

由圖1可見，磁致伸縮材料層1的通孔2設(shè)置優(yōu)先為列陣設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層1的厚度不小于50μm；

更進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層1的材料為鐵氧體磁致伸縮材料、金屬磁致伸縮材料或者巨磁致伸縮材料中的一種。

磁致伸縮材料層1不能過(guò)薄，否則壓電晶體材料柱3容易與之脫離。并且對(duì)其材料進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)選。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體材料柱3的橫截面形狀與所述通孔2的橫截面形狀相匹配。如圖1所示。

進(jìn)一步地，所述通孔2的橫截面為圓形、矩形或正多邊形的一種。

如圖2所示，通孔2和壓電晶體材料柱3的截面也可以為多邊形(正方形)等。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體材料柱3與所述通孔2同軸設(shè)置。

壓電晶體材料柱3與通孔2同軸設(shè)置，如圖2和圖3所示。

進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料層1的橫截面積不小于1cm²；所述通孔2的橫截面積不小于300μm²。

磁致伸縮材料層1的橫截面積不小于1cm²，通孔2的橫截面積不小于300μm²，否則無(wú)法設(shè)置足夠的壓電晶體柱。

進(jìn)一步地，所述壓電晶體柱的材料為壓電陶瓷材料或者壓電單晶材料中的一種；

更進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷材料為pzt、bt或者knn體系中的一種；

更進(jìn)一步地，所述壓電單晶材料pmnt或者pznt體系中的一種。

進(jìn)一步地，所述聚合物填充層4的厚度不小于50μm；

聚合物填充層4太薄容易造成磁致伸縮材料與壓電晶體材料開裂，不能起到很好的粘貼和固定作用。

更進(jìn)一步地，所述聚合物填充層4的材料為熱固性樹脂，優(yōu)選的熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂或酚醛樹脂中的一種。

進(jìn)一步地，所述的電極5層的材料為cu、au或ag中的一種。

如圖3所示，在壓電晶體材料柱3的兩端鍍覆電極5，電解材料可以采用cu、au或ag中的一種。

實(shí)施例1

本實(shí)施例所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，以pzt體系壓電晶體材料，cofe2o4體系磁致伸縮材料，其制備方法具體包括以下步驟：

(1)鐵氧體cofe2o4為原材料，采用傳統(tǒng)的固相合成法制備截面為圓形的蜂窩狀磁致伸縮材料，直徑和高度分別為32mm和30mm，孔隙截面為圓形，孔隙直徑為4mm，孔隙數(shù)目為25，孔隙為5×5的列陣，周期性均勻分布；

(2)以pzt壓電陶瓷粉體為原材料，采用模壓法制備壓電陶瓷陣列，陶瓷柱直徑和高度分別為3mm和30mm，陣列中陶瓷柱數(shù)目25，位置與蜂窩狀磁致伸縮材料孔隙共軸；

(3)將步驟(2)所得的壓電陶瓷陣列嵌入到步驟(1)所制備的蜂窩狀磁致伸縮材料的孔隙中，在壓電陶瓷柱與磁致伸縮材料的間隙之中澆注環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，并于真空烘箱中進(jìn)行固化，及獲得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)將步驟(3)所制備的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)沿厚度方向進(jìn)行切割，調(diào)整切割的刀距，使切割后片狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為3mm，采用磁控濺射法在樣品兩個(gè)切割面中壓電陶瓷的兩個(gè)節(jié)目鍍覆cu電極，分別對(duì)壓電陶瓷和磁致伸縮材料進(jìn)行極化和磁化處理，即獲得磁電復(fù)合材料，樣品直徑32mm，厚度3mm，壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為22％。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，以pmns體系壓電晶體材料，tbfe2體系磁致伸縮材料，其制備方法具體包括以下步驟：

(1)以tbfe2合金為原材料，采用粉末冶金法制備截面為圓形的蜂窩狀磁致伸縮材料，直徑和高度分別為34mm和30mm，孔隙截面為矩形，孔隙邊長(zhǎng)為4mm，孔隙數(shù)目為25，孔隙為5×5的列陣，周期性均勻分布；

(2)以pmns壓電陶瓷粉體為原材料，采用干壓成型法制備壓電陶瓷塊體，采用切割法將壓電陶瓷塊體制備成壓電陶瓷陣列，陣列中陶瓷柱界面為矩形，邊長(zhǎng)和高度分別為2.5mm和30mm，陣列中陶瓷柱數(shù)目25，位置與蜂窩狀磁致伸縮材料孔隙共軸；

(3)將步驟(2)所得的壓電陶瓷陣列嵌入到步驟(1)所制備的蜂窩狀磁致伸縮材料的孔隙中，在壓電陶瓷柱與磁致伸縮材料的間隙之中澆注環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，并于真空烘箱中進(jìn)行固化，及獲得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)將步驟(3)所制備的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)沿厚度方向進(jìn)行切割，調(diào)整切割的刀距，使切割后片狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為3mm，采用絲網(wǎng)印刷法在兩個(gè)切割面中壓電陶瓷的兩個(gè)截面處鍍覆ag電極，分別對(duì)壓電陶瓷和磁致伸縮材料進(jìn)行極化和磁化處理，即獲得磁電復(fù)合材料，樣品直徑34mm，厚度3mm，壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為17％。

綜上所述，本申請(qǐng)所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料，利用聚合物相實(shí)現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結(jié)和應(yīng)力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的服役周期和穩(wěn)定性。本申請(qǐng)所提供的應(yīng)用于能量采集的磁電復(fù)合材料的制備方法，該方法對(duì)擠制成型模具進(jìn)行設(shè)計(jì)或機(jī)械加工打孔，可以很容易制備出孔隙形狀、尺寸及體積分?jǐn)?shù)系列化的蜂窩狀磁致伸縮材料，采用模壓成型技術(shù)或切割法，可以很容易制備出與蜂窩狀磁致伸縮材料結(jié)構(gòu)匹配的柱狀壓電晶體材料陣列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能系列化的磁電復(fù)合材料的批量化制備，具有方便、簡(jiǎn)單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)。

盡管已用具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，然而應(yīng)意識(shí)到，以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍；因此，這意味著在所附權(quán)利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些替換和修改。