[发明专利]压电复合材料的制法及压电发电装置

说明书

技术领域

本发明与压电复合材料有关，特别有关压电复合材料的制法。

背景技术

传统压电材料多为块材型式，其质地坚硬易碎，机电转换输出受到限制，而局限了压电材料的发展运用。压电复合材料则兼具压电陶瓷优异的压电特性与聚合物的柔软性，可大幅提升其压电性与机械性能，进一步拓展压电材料的运用领域。

有关压电复合材料的制造，常见的方法有激光切割-填充法、注射成型法、脱模法及排列浇注法等。激光切割-填充法使用激光在压电陶瓷块上切割出多道横向沟槽，接着再次使用激光在压电陶瓷块上切割出多道与横向沟槽交叉的纵向沟槽以形成多个压电陶瓷柱，然后在沟槽中填入聚合物以形成压电复合材料。相较于传统使用金刚石割刀的切割-填充法，该方法具有高精度、无接触及易操作等优点。然而，缺点是设备成本高，以及激光的热效应易导致陶瓷材料破裂而影响材料的结构与性能。

注射成型法使用具有多个管状出料口的注射器在压电陶瓷板上形成压电陶瓷柱阵列，之后进行烧结，接着在阵列中填入聚合物以形成压电复合材料。该方法具有压电陶瓷柱的尺寸、分布及体积含量可灵活控制等优点。然而，缺点是注射器的构造复杂以及压电陶瓷柱的长度会受到限制。

脱模法使用具有多个柱状孔穴的模具，在压电陶瓷板上，脱模形成压电陶瓷柱阵列，之后进行烧结，接着在阵列中填入聚合物以形成压电复合材料。该方的优点是模具的制作较简单且价格低廉。然而，缺点是当压电陶瓷柱的直径小于100微米时，烧结时的热应力易使压电陶瓷柱阵列发生塌陷。

排列浇注法先制造压电陶瓷纤维，接着依照预定的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及将粘着剂例如环氧树脂灌入模具中，固化后脱模以形成1-3型压电复合材料。排列浇注法的制法简单、纤维体积含量易于控制，气孔率低，适用于高性能传感器、驱动器等装置。

目前在压电陶瓷纤维的制造上，例如溶胶-凝胶(sol-gel)法、胶状悬浮液纺丝法(VSSP)及挤压成型法是常见的方法。其中，挤压成型法将压电陶瓷粉末与粘结剂及交联剂水溶液均匀混合，以形成聚合物胶体。接着，将聚合物胶体借由挤型机挤压成型以形成陶瓷纤维生胚。然后，进行干燥及烧结步骤，即形成压电陶瓷纤维。虽然该方法制法简单、成本低廉且不会造成环境污染，但是仍有挤压困难、纤维的可塑性不佳等缺点。

另外，1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷纤维相，平行排列于三维连通的聚合物基体相中而形成的两相压电复合材料。增加压电发电组件的尺寸，可提高发电量。市场上对于具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的压电发电组件仍有需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压电复合材料的制法，该制法能够顺利挤压成型压电陶瓷纤维，且挤出的压电陶瓷纤维的可塑性良好；另外，本发明的制法制成的压电复合材料用于制造压电发电组件时，具有高发电量且长期振动后表面不会龟裂的优点。

有鉴于此，本发明的另一目的在于提供一种压电发电装置，该装置包含使用上述压电复合材料制成的压电发电组件。

为达到上述目的，本发明提供一种压电复合材料的制法，该制法包括以下步骤：混合压电陶瓷粉末、粘结剂、交联剂、润滑剂及增塑剂，以形成浆料；对浆料进行挤压成型步骤，以形成压电陶瓷纤维生胚；对压电陶瓷纤维生胚进行烧结步骤，以形成压电陶瓷纤维；依照预定的体积含量，将压电陶瓷纤维排列，置入模具中；及将粘着剂灌入模具中，以形成压电复合材料。

进一步地，所述步骤(a)中的所述润滑剂为丙三醇或二丙二醇，该润滑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述增塑剂选自由聚乙烯乙二醇、1，3丁二醇、1，4丁二醇及苯醇所组成的族群，该增塑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末具有化学式ABO₃，化学式ABO₃中，A为铅、钡、镧(lanthanum)、锶(strontium)、钾或锂，B为钛、锆(zirconium)、锰、钴、铌(niobium)、铁、锌、镁、钇(yttrium)、锡、镍或钨，该压电陶瓷粉末的重量百分比介于70～95wt％。

进一步地，所述步骤(a)中的所述压电陶瓷粉末的尺寸介于0.1～1.0微米。

进一步地，所述步骤(a)中的所述粘结剂为甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素，该粘结剂的重量百分比介于3.5～20wt％。