[发明专利]一种压电陶瓷纤维复合材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及压电功能材料领域，尤其涉及一种由压电陶瓷薄片和高分子材料层组成的压电陶瓷纤维复合材料，同时涉及一种该压电陶瓷纤维复合材料的制备方法。

二、背景技术

智能结构的核心是智能材料。智能结构中传感器实现将机械量(应变、位移、速度等) 转化为非机械量(电、光等)。目前，用于传感器的材料主要有电阻应变片、压电材料和光导纤维等。在智能结构中，研究较多的传感器与驱动器材料是压电材料。

智能结构大多采用功能器件与基体结构相集成的结构形式，为了便于与结构基体相集成，这对智能结构中的功能元件的几何形状与尺寸提出了新的要求。在过去几十年中，对于智能材料与结构的研究一直是热点问题。尽管智能材料的种类繁多，但压电材料被认为是最具代表性的一种。到目前为止，人们对基于压电陶瓷(PZT)的智能结构做了大量的研究。然而，在实际应用中，压电陶瓷仍具有一些明显的缺点，例如，它硬而脆(由于陶瓷本身易碎的特性)，而且很难应用于曲面。传统的压电功能器件以块状和片状居多，由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性影响很大，也会改变结构的许多性能，甚至影响结构的使用，缩短其使用寿命。满足智能结构提出的易于集成要求的理想几何形状有薄膜和纤维。此外，传统的压电材料存在着显著的缺点，由于陶瓷的脆性，压电陶瓷无法承受大的冲击，也不能应用于弯曲的平面，因此限制了压电陶瓷的广泛应用。

为了弥补单片压电陶瓷的不足，Bent等人开发了一种新的压电复合执行器。压电复合材料结合压电陶瓷材料和结构中不活跃的额外附加成分，形成一个整体执行器/传感器包。通过这种方式，压电陶瓷及其他结构材料的优异特性在同一个器件中得到增强，并包含了两者的最佳性能，从而创造了具有优越性能的驱动器。基于此种材料无可争辩的优势，压电纤维复合材料引起了广泛的研究热潮。

美国MIT最早采用挤压成型的方法制备了压电纤维胚体，经过一定的烧结工艺，成功地制备了压电纤维。制备的主动压电纤维复合材料(AFC)是把横截面为圆形的PZT纤维横向排列在环氧聚合物中，是各相异性的驱动器。区别于传统的电极产生垂直于纤维方向的电场，AFCs由于进行了双交叉电极(IDE)设计，因此可以得到平行于纤维极化方向的电场。通过IDE的成功使用，AFC得到了极高的d₃₃值，进而使封装压电陶瓷应变翻了一番，同时，其应变能密度提高了三倍左右。

尽管AFC的相关研究较多，其在传感和驱动方面也有较多应用，但是，尚有一些困难阻碍了AFC的性能。比如IDEs和圆柱形压电纤维直接的结合强度与AFC最优性能的匹配问题。纤维直接结构的的变化，降低了各个致动器件的可重复性，且增大了批量生产的成本。AFC设计的这些缺陷导致了其他具有性能更优的压电纤维夫和材料（PFC）致动器件的发展，而两者则采用了同样的设计理念。尽管AFC和传统的压电材料相比，性能上有很大的提高，但也存在着缺点。首先，PZT纤维的圆形横截面使PZT和电极的接触面积很小，降低了AFC的机电转换能力。其次，过高的制造成本也限制了AFC的使用。再有，AFC需要很高的驱动电压。

针对AFC的优缺点，美国航空航天局（NASA）于2001年开始对压电纤维的制备及应用展开了深入的研究，他们提出采用流延成型法制备压电薄膜，经过一定的烧结工艺，然后采用切割法制备压电纤维，并成功制作了MFC(Macro Fiber Composite)。MFC是把横截面为矩形的PZT纤维横向排列在环氧聚合物中，并使用了指形交叉电极。和AFC不同的是，MFC中的矩形PZT纤维提高了PZT和电极的接触面积，提高了其机电转换效率。另外，MFC中的PZT纤维是从传统的PZT晶体中切割出来的，降低了其制造成本。由于MFC的柔韧性较高，可以有效的用于航空航天结构中的振动控制和形状控制。它不仅具有AFC的全部卓越性能，同时又克服了AFC 的不足,是目前最理想的智能材料。德国采用美国压电纤维制备的核心技术，成功地制备了多种功能的压电纤维及其器件。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种压电陶瓷纤维复合材料（简称为MFC），该复合材料由压电陶瓷薄片和高分子材料聚合物如环氧树酯薄片间隔叠置而成，同时提供一种用于制备这种压电陶瓷纤维复合材料的方法。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的制备压电陶瓷纤维复合材料的方法包括下列步骤：