一種剪切型壓電復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種剪切型壓電復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的十多年中，各種具有結(jié)構(gòu)健康自診斷、環(huán)境自適應(yīng)、自監(jiān)控等功能的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)成為研宄熱點，這類集主結(jié)構(gòu)、傳感器及驅(qū)動器于一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測、能量收集和振動控制等領(lǐng)域。而壓電陶瓷，憑借其能量密度高、機電響應(yīng)轉(zhuǎn)換快、驅(qū)動力大等特點成為自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用范圍最廣的驅(qū)動器材料。
[0003]壓電陶瓷在外加電場作用下產(chǎn)生變形，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機械能轉(zhuǎn)化的功能材料。壓電陶瓷的變形方向與外加電場的方向有著密切的關(guān)系:當(dāng)外加電場方向與其極化方向平行時，則壓電陶瓷會產(chǎn)生沿著極化方向((133壓電效應(yīng))和垂直于極化方向(d31壓電效應(yīng))的變形，這是利用了壓電陶瓷的軸向壓電效應(yīng)；當(dāng)外加電場方向與其極化方向垂直時，則壓電陶瓷會產(chǎn)生一個純剪切((115壓電效應(yīng))變形，這是利用了壓電陶瓷的剪切壓電效應(yīng)。
[0004]目前廣泛使用的壓電器件大多是基于壓電陶瓷的d33壓電效應(yīng)和d31壓電效應(yīng)設(shè)計的。在振動抑制或自適應(yīng)控制領(lǐng)域中，通常將這類壓電器件直接粘貼于主體結(jié)構(gòu)表面，通過壓電陶瓷的拉伸變形來對主結(jié)構(gòu)進行控制。這種表面粘貼的驅(qū)動方式使得壓電器件在受到外部載荷的沖擊作用時很容易發(fā)生斷裂和剝落。而且，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的彎曲變形時，由于結(jié)構(gòu)表面承受的應(yīng)力最大，因此粘貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電器件也將承受較高的彎曲應(yīng)力，極易導(dǎo)致壓電陶瓷斷裂，使得壓電器件在結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時失效。長期處于應(yīng)力狀態(tài)的工作環(huán)境也會導(dǎo)致壓電陶瓷因應(yīng)力疲勞而失效，從而降低壓電器件的壽命。
[0005]針對以上情況，美國普渡大學(xué)航空航天學(xué)院的Sun和Zhang提出了一種利用壓電陶瓷剪切效應(yīng)實現(xiàn)的自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將壓電陶瓷薄片置于兩塊主體結(jié)構(gòu)面板的中間，施加于壓電陶瓷的驅(qū)動電場方向與其極化方向垂直，在電場作用下壓電陶瓷發(fā)生純剪切變形從而控制主體結(jié)構(gòu)的變形。在剪切工作模式下，一方面，壓電器件處于結(jié)構(gòu)中性層位置，即使主體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形，壓電器件所承受的應(yīng)力水平仍然很低，因此該剪切模式的壓電器件具有使用壽命長、不易剝落等優(yōu)點。另一方面，一般壓電陶瓷的剪切壓電常數(shù)Cl15在數(shù)值上比d31和d33都大得多，相同驅(qū)動電場條件下，剪切型壓電器件產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變更大。Sun和Benjeddou等人的后續(xù)研宄表明，相比于利用軸向壓電效應(yīng)的器件，利用剪切型壓電器件的主體結(jié)構(gòu)振動抑制能力更好，其整體機電耦合系數(shù)是前者的3倍多，附加阻尼是前者的12倍多，減幅程度是前者的2倍多。因此，剪切型壓電器件在振動控制、能量收集等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景越來越引起研宄人員的廣泛關(guān)注。
[0006]盡管剪切型壓電器件在自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)出應(yīng)用前景，但壓電陶瓷材料的脆性仍然限制了其應(yīng)用范圍，特別是在曲面和薄膜結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域。為了解決這一問題，Kranz依托德國Smart Material公司制備了一種剪切型壓電復(fù)合材料，由壓電陶瓷纖維、樹脂、銅電極以及上下兩面柔性絕緣聚酰亞胺薄膜復(fù)合而成，如圖1所示。該復(fù)合材料中，壓電纖維的極化方向為長度方向，通過銅電極施加沿厚度方向的工作電壓，利用了壓電材料的剪切壓電效應(yīng)。并且包覆壓電纖維的聚合物基體可為復(fù)合物提供結(jié)構(gòu)整體性，能夠通過應(yīng)力傳遞機制大幅度提高壓電纖維的抗損傷能力，很好地克服了壓電陶瓷的脆性問題。所以該材料是一種厚度薄、重量輕，可進行大幅度彎曲和扭轉(zhuǎn)的剪切型壓電復(fù)合材料。但結(jié)構(gòu)需要施加較高的極化電壓；使用較高的極化電壓一方面對極化設(shè)備提出了更高的要求，另一方面還會帶來一定隱患，危害人員安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有剪切型壓電材料的結(jié)構(gòu)及性能方面的優(yōu)點及不足，提出了一種新的結(jié)構(gòu)緊湊，極化電壓低的能夠貼合曲面結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)一定程度柔性變形的剪切型壓電復(fù)合材料。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]本發(fā)明的剪切型壓電材料的結(jié)構(gòu)為最外兩層為柔性絕緣薄膜，中間層為壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層，中間層與柔性絕緣薄膜之間為叉指狀電極；所述叉指狀電極的正極指部和負(fù)極指部交替等距排列，且上、下兩個叉指狀電極呈鏡面對稱，并對齊；所述的叉指狀電極的指部與壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層的壓電相平行，電極指部位于壓電相與環(huán)氧樹脂結(jié)合面邊緣的上下兩面；壓電相極化方向為垂直于復(fù)合層平面的方向。
[0010]本發(fā)明所提出的壓電復(fù)合材料從上至下分別為聚酰亞胺膜，叉指狀電極，壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層，叉指狀電極，聚酰亞胺膜。優(yōu)選的，壓電相為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)，壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層是一個片式的整體結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 本發(fā)明的壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層是由在平面內(nèi)平行排列的纖維狀壓電相和相鄰纖維之間的環(huán)氧樹脂相間而成。所述復(fù)合層的壓電相截面為矩形。所述復(fù)合層的壓電相的寬度與兩個壓電相的間距相等。
[0012]本發(fā)明優(yōu)選，電極材料為銅。
[0013]本發(fā)明優(yōu)選壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層中壓電纖維的寬度和纖維間距均與叉指狀電極的指間距相等，且所有電極指部位于壓電相與環(huán)氧樹脂結(jié)合面邊緣的上下兩面，如圖2所示。復(fù)合物垂直于纖維方向的截面圖如圖3所示。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，每個壓電相寬度大于兩個壓電相的間距，從而提高了復(fù)合材料中壓電相的體積分?jǐn)?shù)，增強了復(fù)合材料的壓電性能。叉指狀電極正極指部和負(fù)極指部交替不等距排列，但所有電極指部仍位于壓電相與環(huán)氧樹脂結(jié)合面邊緣的上下兩面。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，壓電相寬度小于兩個壓電相的間距，從而提高了復(fù)合材料中環(huán)氧樹脂的體積分?jǐn)?shù)，增強了復(fù)合材料的柔性。相應(yīng)的叉指狀電極正極指部和負(fù)極指部交替不等距排列，但所有電極指部仍位于壓電相與環(huán)氧樹脂結(jié)合面邊緣的上下兩面。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，壓電相可以為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMN-PT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、鈮酸鉀鈉(KNN)或者其他壓電材料，則最終制得的壓電復(fù)合材料具有更好的壓電性，或者更好的柔性，或者更好的環(huán)境友好性。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層中的環(huán)氧樹脂可以由硅膠、橡膠等其他柔性絕緣材料替代。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，電極材料可以為銀、金等其他導(dǎo)電性材料。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，粘結(jié)聚酰亞胺膜、電極和壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層的粘結(jié)劑可以為環(huán)氧樹脂、AB膠或其他強力膠。
[0020]上述柔性壓電復(fù)合材料的制備方法是將叉指狀電極印刷到聚酰亞胺膜上，將叉指狀電極印刷到聚酰亞胺膜上，再與壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層粘結(jié)。
[0021]另一種柔性壓電復(fù)合材料的制備方法是將叉指狀電極和叉指狀電極印刷到壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層的上下兩面，再與聚酰亞胺膜和聚酰亞胺膜粘結(jié)。
[0022]所有上述制備方法中，所述電極通過絲網(wǎng)印刷、電鍍、磁控濺射或化學(xué)沉積等方法復(fù)合在壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層或聚酰亞胺膜的上下兩面。
[0023]所有上述制備方法中，壓電相/環(huán)氧樹脂復(fù)合層通過切割-填充法、流延法或擠出法等方法制備。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)所得到復(fù)合材料，不但同樣具有較小的工作電壓，其極化電壓也大幅減小。所需要的極化的壓電陶瓷片通過常規(guī)的切割-填充法可很容易的制備獲得。本發(fā)明將壓電纖維、樹脂、電極通過薄膜復(fù)合在一起，使得復(fù)合材料具有較高的集成性，方便使用。本發(fā)明還可以有效調(diào)節(jié)最終材料的工作電壓范圍，從而適應(yīng)不同的工作環(huán)境，