[发明专利]一种压电纤维复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电纤维复合物的制备方法。

背景技术

压电效应是由于某些材料在晶体结构上存在不对称中心而造成的，在机械应力作用下，内部正负电荷中心将产生相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为正压电效应。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心产生移位，导致材料发生机械变形，称为逆压电效应。

利用压电效应，压电材料既可以用传感器，又可以用作驱动器,是目前应用最广泛的一类智能材料。自上世纪五十年代以来，关于压电陶瓷材料应用的研究发展很快，如压电引信、压电电源等多种电压发生器件以及振动加速度计、流体监控器等多种压敏传感器件的开发与应用。然而，对于压电陶瓷块体而言，其硬而脆的特性使其不能应用于曲面，较大的体积和重量也使其在智能结构中的应用受到很大的局限。

为了解决块体材料的应用局限性，NASA Langly Research Center提出压电纤维复合物（Macro Fiber Composites）的概念，它是由压电陶瓷纤维，聚合物基体和叉指状电极所组成。该复合物不仅解决了压电陶瓷块体材料硬而脆等缺陷，同时还具有厚度薄，重量轻，可进行大幅弯曲和扭转等特点，很容易粘贴到包括曲面在内的多种工作表面上，极大地拓展了其应用的领域。目前，压电纤维复合物被广泛的应用于包括结构控制、减震、能量采集等诸多领域。

目前关于压电纤维复合物制备方面的报道，如：W.K Wilkie等主要采用薄板切割法制备，其首先制备压电陶瓷生坯，烧结成薄板后在其表面切割出等距凹槽，再通过树脂包封等工序制备压电纤维复合物。该方法可以保证纤维间良好的均匀性，但是大尺寸陶瓷薄板在烧结过程中极易变形，条件控制复杂，并且该方法对于切割设备的精度要求很高，且存在设备投资大、材料利用率低、生产周期长等缺陷。此外，上述方法很难适用于加工具有精细、均匀纤维间距的压电纤维复合物，如纤维间距小于60μm的压电纤维复合物。适当的减小压电纤维间距，提高压电相在复合物中的含量是提高压电纤维复合物性能的一种方法，Zhang Dou等人提出了一种塑性聚合物法，其首先采用塑性聚合物法制备含有压电陶瓷粉末生坯和炭黑生坯，然后将两种生坯间隔排列叠压，烧结去除炭黑，形成压电陶瓷多层结构，将该结构填充树脂后固化，最后进行切割、包封电极等步骤。该方法不需要依赖高精密的切割设备，制备出的压电纤维复合物纤维间距最小可达5μm。但该方法需要专用的塑性加工设备，而且生坯厚度的均匀性控制困难，且需要反复加工减薄，带来高的应力和内部结构的损坏，容易造成产品质量波动较大，合格率下降。采用流延成型工艺制备压的电陶瓷生坯和炭生坯内部应力小，厚度灵活可控，可直接获得所需厚度的压电陶瓷生坯和炭黑生坯，从而得到具有精细，均匀纤维间距的复合物，但传统的压电陶瓷流延浆料体系存在固相含量低，流动性差，生坯密度不均匀等问题，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，对设备要求低，产品纤维间距为3～60μm并且质量稳定，合格率高的压电纤维复合物的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案包括：

a.制备压电陶瓷生坯：将0.2～3.0μm的压电陶瓷粉末、溶剂A、分散剂B、增塑剂C、粘结剂D、均匀化剂E按比例混合均匀，其中溶剂A与压电陶瓷粉末的重量比为（0.25～1.50）:1、分散剂B为压电陶瓷粉末重量的1～5%、增塑剂C和粘结剂D分别为压电陶瓷粉末和溶剂重量的5～10%、均匀化剂为粘结剂重量的5～15%，再用流延法制成厚度为50～300μm的生坯，其中溶剂A为去离子水或无水乙醇，分散剂B为磷酸盐酯、玉米油或聚丙烯酸铵中的一种，增塑剂C为邻苯二甲酸酯或聚乙二醇，粘结剂D为聚乙烯醇或聚乙烯醇缩丁醛，均匀化剂E为环己酮； 

b.制备炭黑生坯：将粒度为20～350nm炭黑粉末，溶剂F，分散剂G，增塑剂H，粘结剂I按比例混合均匀，其中溶剂F与炭黑的重量比为（2～4）:1、分散剂G为炭黑重量的1～3%、增塑剂H和粘结剂I均为炭黑和溶剂重量的5～10%，用流延法制成10～100μm的炭黑生坯，其中溶剂F为无水乙醇，分散剂G为byk-163，增塑剂H为邻苯二甲酸酯或聚乙二醇，粘结剂I为聚乙烯醇缩丁醛；

c.将b步骤制备的炭黑生坯和a步骤制备并剥离的压电陶瓷生坯按照所需长度和宽度的尺寸切割，并将其相互间隔堆叠成紧密结合，具有层片状结构的炭黑/压电陶瓷叠层生坯，再干燥至溶剂A和溶剂F挥发完全；