CN108428783B - 一种纵向梯度压电纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，压电纤维和高分子聚合物交替排列，压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，上、下两片交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部之间的指间距沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向连续梯度变化。本发明纵向梯度压电纤维复合材料，具有高柔韧性及优异的驱动特性，可以在压电纤维复合材料的纵向方向提供连续变化的驱动变形能力；梯度压电纤维复合材料集压电纤维、聚合物及交叉指形电极于一体，集成度高，便于操作及使用；此外，梯度压电纤维复合材料采用切割‑填充法制备，工艺简单，成本低廉，生产周期短，产品性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电复合材料，特别是所使用电极的指间距为梯度结构的压电纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
智能材料与结构是指将驱动器、传感器及微处理控制***与基体材料相融合，可以感知和处理内部、外部信息的一种新型材料与结构。通过对环境的变化做出响应，智能材料与结构实现了材料的自变形、自诊断、自适应、自修复等功能，现已成为一门新兴的多学科交叉综合科学，是当今国际学术前沿学科之一。压电材料作为应用最为广泛的智能材料之一，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。
为了解决压电材料存在的变形小、脆性大等问题，美国麻省理工学院于1993年首次提出了圆形压电纤维复合材料这一智能压电复合材料。但此结构使用圆形纤维作为功能相，导致纤维与电极的接触面积较小，电场效率较低，且采用圆形纤维制备复合材料工艺复杂，成品率低。为了改进圆形压电纤维复合材料存在的结构缺陷，美国航空航天宇航局采用矩形压电纤维代替圆形压电纤维对结构进行改进，得到了目前应用较为广泛的矩形压电纤维复合材料。该复合材料采用两片呈镜面对称的交叉指形电极对单向且均匀分布的压电纤维进行封装所得，交叉指形电极结构可有效利用压电纤维的d33性能，使得复合材料具有较大的驱动应变，同时也降低了极化和驱动电压。与压电陶瓷和其他结构型式的压电复合材料相比，压电纤维复合材料单向驱动力大、厚度薄、重量轻、柔韧度高，可进行大幅度弯曲和扭转并很容易作为附加结构粘贴到复杂结构表面上，极大地拓宽了压电器件的应用领域。近年来，压电纤维复合材料作为驱动器在大型智能结构，如可展开天线结构、直升机旋翼***等的形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等领域显示了广阔的应用前景。
但由于受压电陶瓷纤维制备工艺及压电纤维复合材料制备成品率等多种因素的限制，目前商业化的压电纤维复合材料有效区域的最大尺寸为85mm×57mm。当将压电纤维复合材料作为驱动器应用于大型结构时，如对可展开天线结构、直升机旋翼等大型主体结构进行振动或变形控制时，需要将多片压电纤维复合材料按特定铺层方式粘贴于主体结构中需变形区域，并分别对单片压电纤维复合材料施加相应电压进行驱动控制，以达到既定的驱动效果。目前普遍使用的单片压电纤维复合材料中压电纤维在复合材料的横向方向为均匀周期排布，即纤维宽度和间距均为恒定值，并且交叉指形电极中各电极指结构参数相同，即正、负电极指部宽度相同，相邻电极正极指部和负极指部的间距相同，因此可为不同区域的压电纤维提供相同的极化电场和驱动电场，进而保证了压电纤维复合材料在不同区域均具有相同的驱动能力。
为保证大型主体结构达到相应的振动控制或变形控制的效果，需要对主体结构的不同区域进行分别控制。为维持主体结构振动或变形控制的连续性，需按照特定铺层方式在主体结构需变形区域粘贴多片压电纤维复合材料，并对铺层的多片压电纤维复合材料分别施加不同的驱动电压，从而大大增大了外加驱动电源***的复杂性，导致***的轻量化设计受到极大影响。并且，这一布局使得相邻多片压电纤维复合材料之间驱动力为阶跃性变化，易导致主体结构出现畸变点或区域，难以维持主体结构振动控制或变形控制的平稳连续变化。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种梯度压电纤维复合材料，具有在纵向方向梯度驱动变形能力，高的柔韧性及优异的驱动特性。
本发明的一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，且压电纤维和高分子聚合物在压电纤维复合材料的横向方向交替排列，所述上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，且交叉指形电极的正极指部和负极指部交替不等间距排列，即相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距沿压电纤维复合材料的纵向方向呈连续梯度变化。
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的纵向方向，相邻交叉指形电极正极指部和负极指部之间的间距逐渐递减，表现为电极指间距由数值A递减至数值B的纵向梯度压电纤维复合材料，其中，1.5 mm≥A＞B≥0.5 mm；此类梯度压电纤维复合材料具有纵向方向驱动力逐渐增大的规律。
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的纵向方向，相邻电极正极指部和负极指部之间的间距先逐渐递增后逐渐递减，表现为电极指间距由数值B递增至数值A随后再逐渐递减至数值b的纵向梯度压电纤维复合材料，其中，1.5 mm≥A＞B≥0.5 mm，1.5 mm≥A＞b≥0.5 mm；此类梯度压电纤维复合材料具有纵向方向中部驱动力小于纵向两侧驱动力的规律。
进一步地，所述连续梯度变化为：沿压电纤维复合材料的纵向方向，相邻电极正极指部和负极指部之间的间距先递减后递增，表现为电极指间距由数值A逐渐递减至数值B随后再逐渐递增至数值a的纵向梯度压电纤维复合材料；其中，1.5 mm≥A＞B≥0.5 mm，1.5mm≥a＞B≥0.5 mm；此类梯度压电纤维复合材料具有纵向方向中部驱动力大于纵向两侧驱动力的规律。
所述压电纤维的材料可为压电陶瓷或压电单晶。
所述高分子聚合物为热固性树脂。
所述交叉指形电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于其上的电极层构成的单面印刷柔性线路板。
本发明纵向梯度压电纤维复合材料的制备方法，步骤包括：1）将压电块体材料切割为压电薄片，并将压电薄片沿纵向方向切割得到横向方向上宽度一致的压电纤维。
2)在步骤1）所得的压电纤维间隙中填充高分子聚合物，得到压电纤维和高分子聚合物交替排列的压电纤维/高分子复合物。
3) 采用刻蚀工艺获得单面交叉指形电极线路板，其中交叉指形电极相邻电极正极指部和负极指部的指间距具有梯度变化规律。
4)取步骤2）所得两片交叉指形电极线路板呈镜面对称分别覆盖在步骤2）所得复合物的上、下表面，通过封装得到纵向梯度压电纤维复合材料。
5)对步骤4）所得纵向梯度压电纤维复合材料进行极化处理。
步骤1）中，所述压电薄片的厚度为0 .15～0 .3 mm，宽度为10～60 .0 mm，长度为25 ～150 mm。
步骤1）中，所述压电纤维的厚度为0 .15～0 .3 mm，宽度为0 .15～0 .3 mm，长度为25 ～150 mm。
步骤1）中，所述压电纤维间隙为0 .05～0 .2 mm。
步骤3）中，所述交叉指形电极的电极指间距为0 .5～1 .5 mm。
步骤3）中，所述交叉指形电极的电极宽度为0 .06～0 .10 mm。
步骤5）中，所述极化处理方法为室温硅油中按照2 .5～3 .5 kV/mm×相邻正、负电极指部间距施加极化电压，极化时间为10～40 min。
本发明技术方案有益效果在于：与现有不同结构型式的压电材料相比，本发明纵向梯度压电纤维复合材料中交叉指形电极的相邻正极指部和负极指部的指间距沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向呈连续梯度变化，可以在复合材料的纵向方向提供连续变化的驱动变形能力；梯度压电纤维复合材料集压电纤维、聚合物及交叉指形电极于一体，集成度高，便于操作及使用；此外，梯度压电纤维复合材料采用切割-填充法制备，工艺简单，成本低廉，生产周期短，产品性能稳定。
附图说明
图1 为实施例1的纵向梯度压电纤维复合材料结构示意图。
图2 为实施例2的纵向梯度压电纤维复合材料结构示意图。
图3 为实施例3的纵向梯度压电纤维复合材料结构示意图。
图中：①、交叉指形电极的正极指部，②交叉指形电极的负极指部，③、压电纤维，④、高分子聚合物。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步描述本发明，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。
实施例1： 一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，所述压电纤维和高分子聚合物交替排列，所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片 交叉指形电极之间，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述交叉指形电极的正极指部和负极指部交替不等间距排列，交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部之间的间距沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向呈连续梯度变化，沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部之间的间距逐渐递减，表现为电极指间距由0.7 mm逐渐递增至1.25 mm，其中递增幅度为0.05mm。
制备方法，步骤为： 1. 利用切割机对锆钛酸铅P-51陶瓷块体进行切割，得到宽度为15.5 mm，长度为23.4 mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅P-51压电陶瓷薄片；利用锯片厚度为0.07 mm的精细切割机对锆钛酸铅P-51压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.07 mm和0.3 mm的压电纤维。
2. 在锆钛酸铅P-51压电纤维间隙中填充树脂2020，得到纤维宽度和树脂宽度分别为0.3 mm和0.07 mm的锆钛酸铅P-51压电陶瓷纤维/树脂复合物。
3. 采用刻蚀工艺在单面覆铜板上获得总厚度约为0.07 mm的单面交叉指形电极线路板，其中交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.08 mm，且沿纵向方向交叉指形电极相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距以0.05 mm的递增幅度由0.7 mm逐渐递增至1.25 mm。
4. 用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖于锆钛酸铅P-51压电陶瓷纤维/树脂复合物的上、下表面，通过施加压力和温度进行封装得到纵向梯度压电纤维复合材料；将纵向梯度压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2.4 kV的直流电压保压15 min进行极化，放置1 h后测试纵向梯度压电纤维复合材料的应变性能。
5. 在电压幅值为-500 V ~ +1500V，频率为0.1 Hz的交变正弦电压下分别测试电极指间距为0.7 mm和1.25 mm处的应变能力，得到的应变数值分别为1890 με和1045 με。
实施例2： 一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，所述压电纤维和高分子聚合物交替排列，所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片 交叉指形电极之间，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述交叉指形电极的正极指部和负极指部交替不等间距排列，交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部之间的间距沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向呈连续梯度变化，沿压电纤维复合材料的纵向方向交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部间距先逐渐递增再逐渐递减，表现为电极指间距由0.6 mm逐渐递增至1.1 mm后再逐渐递减至0.7 mm，其中递增和递减幅度均为0 .1mm。
制备方法，步骤为：1 .利用切割机对铌镁酸铅压电单晶进行切割，得到宽度为29.6 mm，长度为32.8 mm，厚度为0.25 mm的铌镁酸铅压电单晶薄片；利用锯片厚度为0.1mm的精细切割机对铌镁酸铅压电单晶薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.1mm和0.4 mm的压电纤维。
2.在铌镁酸铅压电纤维间隙中填充树脂E-51，得到纤维宽度和树脂宽度分别为0.4 mm和0.1 mm的铌镁酸铅压电单晶纤维/树脂复合物。
3.采用刻蚀工艺在覆铜板上获得总厚度为0.07 mm的单面交叉指形电极线路板，其中交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.06 mm，且沿纵向方向交叉指形电极相邻电极正极指部和负极指部的指间距以0.1 mm的递增幅度由0.6 mm逐渐递增至1.1mm，之后再以0.1 mm的递减幅度逐渐递减至0.7 mm。
4 .用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖于铌镁酸铅压电单晶纤维/树脂复合物的上、下表面，通过施加压力和温度进行封装得到纵向梯度压电纤维复合材料；将纵向梯度压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2 kV的直流电压保压15 min进行极化，放置1 h后测试梯度压电纤维复合材料的应变性能。
5 .在电压幅值为-500 V ~ +1500V，频率为0.1 Hz的交变正弦电压下分别测试电极指间距为0.6 mm和1.1 mm处的应变能力，得到的应变数值分别为3090 με和1865 με。
实施例3： 一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，所述压电纤维和高分子聚合物交替排列，所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，且上、下两个交叉指形电极呈镜面对称，所述交叉指形电极的正极指部和负极指部交替不等间距排列，交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部之间的间距沿梯度压电纤维复合材料的纵向方向呈连续梯度变化，沿压电纤维复合材料的纵向方向交叉指形电极的正极电极指部和负极电极指部间距先逐渐递减再逐渐递增，表现为电极指间距由1.05 mm逐渐递减至0.6 mm后再逐渐递增至1.1 mm，其中递增和递减幅度均为0 .1mm。
制备方法，步骤为： 1 .利用切割机对锆钛酸铅P-5H压电陶瓷进行切割，得到宽度为34 mm，长度为60.0 mm，厚度为0.3 mm的锆钛酸铅P-5H压电陶瓷薄片；利用锯片厚度为0.15 mm的精细切割机对锆钛酸铅P-5H压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为 0.15mm和0.25 mm的压电纤维。
2 .在锆钛酸铅P-5H压电纤维间隙中填充树脂E-120HP，得到纤维宽度和树脂宽度分别为0.25 mm和0.15 mm的锆钛酸铅P-5H压电陶瓷纤维/树脂复合物。
3 .采用刻蚀工艺在覆铜板上获得总厚度为0.07 mm的单面交叉指形电极线路板，其中交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.1 mm，且沿纵向方向交叉指形电极相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距以0.05 mm的递减幅度由1.05 mm逐渐递减至0.6 mm，之后再以0.05 mm的递增幅度逐渐递增至1.1 mm。
4 .用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖于锆钛酸铅P-5H压电陶瓷纤维/树脂复合物的上、下表面，通过施加压力和温度进行封装得到纵向梯度压电纤维复合材料；将纵向梯度压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2 kV的直流电压保压15 min进行极化，放置1 h后测试纵向梯度压电纤维复合材料的应变性能。
5 .在电压幅值为-500 V ~ +1500V，频率为0.1 Hz的交变正弦电压下分别测试电极指间距为0 .6 mm和1.1 mm处的应变能力，得到的应变数值分别为1387 με和718 με。
对比例1：等电极指间距压电纤维复合材料 1 .利用切割机对锆钛酸铅P-51陶瓷块体进行切割，得到宽度为15.5 mm，长度为23.4 mm，厚度为0.18 mm的锆钛酸铅P-51压电陶瓷薄片；利用锯片厚度为0.07 mm的精细切割机 对锆钛酸铅P-51压电陶瓷薄片沿纵向方向进行等间距切割，得到横向方向上间隙和宽度分别为0.07 mm和0.3 mm的压电纤维。
2 .在锆钛酸铅P-51压电纤维间隙中填充树脂2020，得到纤维宽度和树脂宽度分别为0.3 mm和0.07 mm的锆钛酸铅P-51压电陶瓷纤维/树脂复合物。
3 .采用刻蚀工艺在单面覆铜板上获得总厚度约为0.07 mm的单面交叉指形电极线路板，其中交叉指形电极的正极指部和负极指部的宽度均为0.08 mm，相邻电极正极指部和负极指部之间的指间距为0.7 mm。
4 .用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖于锆钛酸铅P-51压电陶瓷纤维/树脂复合物的上、下表面，通过施加压力和温度进行封装得到等电极指间距压电纤维复合材料；将压电纤维复合材料放置于室温硅油中，并施加2.4 kV的直流电压保压15 min进行极化， 放置1 h后测试压电纤维复合材料的应变性能。
5 .在电压幅值为-500 V ~ +1500V，频率为0.1 Hz的交变正弦电压下测试电极指间距为0.7 mm处等电极指间距压电纤维复合材料的应变能力，得到的应变数值分别为1890με。
Claims (7)
1.一种纵向梯度压电纤维复合材料，由两片交叉指形电极、压电纤维和高分子聚合物构成，其特征在于：所述压电纤维和高分子聚合物位于上、下两片交叉指形电极之间，压电纤维和高分子聚合物交替排列，所述上、下两片交叉指形电极呈镜面对称，且交叉指形电极的正极指部和负极指部延纵向交替不等间距排列，压电纤维由压电薄片纵向方向等间距切割得到，纵向连续；
所述的纵向梯度压电纤维复合材料的结构选自以下几种中的一种或者几种：
（1）沿压电纤维复合材料的纵向方向，交叉指形电极相邻的正极指部和负极指部的间距逐渐递减，表现为相邻电极指间距由数值A递减至数值B的纵向梯度压电纤维复合材料，其中，1.5mm≥A＞B≥0.5mm；
（2）沿压电纤维复合材料的纵向方向，交叉指形电极相邻的正极指部和负极指部的间距先逐渐递增后逐渐递减，表现为电极指间距由数值B递增至数值A随后再逐渐递减至数值b的纵向梯度压电纤维复合材料，其中，1.5mm≥A＞B≥0.5mm，1.5mm≥A＞b≥0.5mm；
（3）沿压电纤维复合材料的纵向方向，交叉指形电极相邻的正极指部和负极指部的间距先递减后递增，表现为电极指间距由数值A逐渐递减至数值B随后再逐渐递增至数值a的纵向梯度压电纤维复合材料；其中，1.5mm≥A＞B≥0.5mm，1.5mm≥a＞B≥0.5mm。
2.根据权利要求1所述的纵向梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述压电纤维的材料为压电陶瓷或压电单晶。
3.根据权利要求1所述的纵向梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述高分子聚合物为热固性树脂。
4.根据权利要求1所述的纵向梯度压电纤维复合材料，其特征在于：所述交叉指形电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于所述聚酰亚胺膜上的电极层构成的单面印刷柔性线路板。
5.一种纵向梯度压电纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法制备权利要求1-4任一权利要求所述纵向梯度压电纤维复合材料，步骤包括：将压电块体材料切割为压电薄片后，再将压电薄片沿纵向方向等间距切割得到压电纤维，在压电纤维间隙中填充高分子聚合物，得到压电纤维/高分子复合物；采用刻蚀工艺获得正极指部和负极指部交替不等间距排列的单面交叉指形电极线路板；用两片交叉指形电极呈镜面对称分别覆盖于压电纤维/高分子复合物的上、下表面，通过封装得到纵向梯度压电纤维复合材料；对纵向梯度压电纤维复合材料极化后进行性能测试。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述压电薄片的厚度为0.15～0.3mm，宽度为10～60.0mm，长度为25～150mm；所述压电纤维的厚度为0.15～0.3mm，宽度为0.15～0.3mm，长度为25～150mm；所述压电纤维的间隙为0.05～0.2mm；所述交叉指形电极的电极指间距为0.5～1.5mm；所述交叉指形电极的电极横向宽度为0.06～0.10mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述极化为室温硅油中按照2.5～3.5kV/mm×相邻正、负电极指部间距施加极化电压，极化时间为10～40min。
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