[发明专利]叉指型压电纤维复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能材料，尤其是涉及一种叉指型压电纤维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

陶瓷/聚合物压电复合材料是一种新型的智能材料，它兼具压电陶瓷优异的压电性能和聚合物柔软性好、声阻抗低的特点，能够自适应环境的变化，实现机械能和电能之间的相互转化，兼有传感元件和执行元件的双重特性。

1978年，Newnham等人(Newnham RE et al.，Connectivity and piezoelectric-pyroelectriccomposites.Mater Res Bull，1978.13：525)对复合材料性能进行了理论和实验研究，提出了复合材料连通性概念，为复合材料的研究和发展做出了重大贡献。他们总结了复合材料的10种连通方式，分别表示为0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-3，2-1，2-3和2-3型。其中，1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中而形成的两相复合压电材料。1-3型压电复合材料以其优越而独特的性能，成为近年来研究最多的一种压电复合材料。

1-3型压电复合材料的发展经历了压电柱复合材料、电极压电纤维复合材料等结构形式，叉指型电极压电纤维复合材料(IDEPFC)是其最新的发展形式。它采用叉指型电极，极化方向沿纤维纵向方向，可以充分利用其最主要的压电效应(d₃₃)。同时压电纤维和基体的融合能够增强驱动器的各向异性特性，可产生较大的诱导应力。国外对IDEPFC的研究主要集中于美国麻省理工学院和美国航空航天局，其中麻省理工学院Bent等人(Aaron A.Bent et al.，Improved performance in piezoelectric fiber composites using interdigitated electrodes.SPIE，2001.2441：196-211)研制的AFC(active-fiber composites)和美国航空航天局(Andreas J.S.et al.，Overview on macro fiber composite application.SPIE，2006.6170：1-8)研制的MFC(macro-fibercomposites)是比较典型的PFC元件。这类PFC元件中使用PZT陶瓷大纤维，其直径受限于切割刀片的厚度及压电陶瓷的承受能力，制备得到的PZT陶瓷纤维直径一般大于100μm，其中圆柱状大纤维一般是通过挤出成型制备的，而方柱状大纤维一般是通过切割块体PZT陶瓷制备的。切割法制备的PZT陶瓷柱状大纤维，其叉指电极是通过在压电纤维复合材料的上下表面分别粘贴固定蚀刻的电极而制得的，电极一般为铜电极。国内对IDEPFC的研究并不多见，根据文献报道，南京航空航天大学智能材料与结构研究所对叉指形电极压电纤维复合材料作为传感器和执行器的结构进行了研究，并利用有限元方法建立模型进行分析，不过该研究组的工作并没有对IDEPFC的制备方面进行研究；香港理工大学的陈王丽华和江苏工业大学李坤等人对压电纤维复合材料的研究主要集中在1-3型圆柱形复合材料，主要用于制作1-3型压电换能器，未见有对IDEPFC元件的研究。

本申请人在公开号为CN101190845的发明专利申请中提供了一种采用溶胶法制备锆钛酸铅陶瓷纤维的方法，此类陶瓷纤维具有结构致密，直径小(一般小于50μm)的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于弯曲振动模式工作的能够感应不同方向应力波的叉指型压电纤维复合材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于所述叉指型压电纤维复合材料用于制备一种悬臂梁结构传感器原型器件，所述悬臂梁结构传感器原型器件可应用在振动模块和无损检测等方面。

本发明所述叉指型压电纤维复合材料的压电纤维复合材料的上电极为叉指电极，叉指指宽为0.05mm，叉指指间距为0.2mm，相邻叉指间极化方向相反，在电学上并联，压电纤维复合材料中的压电陶瓷纤维的直径可控制在1～100μm，结构致密。

所述压电纤维最好为锆钛酸铅(PZT)或钛酸钡等压电纤维。所述压电陶瓷纤维的体积分数为10％～85％。

本发明所述叉指型压电纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)制备压电纤维后热处理，转变为压电陶瓷纤维；

2)以环氧树脂或硅树脂等为基体相，压电陶瓷纤维为压电相，制备1-3型压电纤维复合材料，打磨，抛光，得压电纤维复合材料薄片；