[发明专利]一种1‑3型磁电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁电复合材料领域，具体而言，涉及一种1-3型磁电复合材料及其制备方法。

背景技术

磁电复合材料材料是一类以机械能为能量传递介质，基于磁能与电能之间转换的智能结构复合材料，由具备机械能与电能之间互相转换的压电材料和磁能与机械能之间转换的磁致伸缩材料复合而成。由于其独特的磁电耦合性能，且具备磁电转换效率高、易于集成和可设计性强等优点，磁电复合材料在驱动、传感、结构健康监测和能量采集等众多领域具有广泛的应用前景。

目前，常见的磁电复合材料结构主要有颗粒复合、层状复合和纤维结构复合等几大类。这些复合结构中，颗粒状磁电复合材料制备工艺相对简单，但两种材料颗粒之间的抑制作用较大，影响复合材料内部电磁场的传输及能量的转换效率。层状结构磁电复合材料是当前研究较多的一类磁电复合材料，其磁电信号较强，制备工艺简单，但其结构可设计性较差，且应力传输效果不佳，难以保证磁电信号的稳定输出。纤维结构磁电复合材料信号输出稳定，结构可设计性强，但制备工艺相对复杂，生产效率较低，且难以制备出结构与性能系列化磁电复合材料。以上三种结构的磁电复合材料中，压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结多利用第三方结构胶实现。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种1-3型磁电复合材料，以解决现有磁电复合材料中第三方粘结材料的存在对压电陶瓷和磁致伸缩材料之间应力传输的损耗和迟滞的问题，以及现有磁电复合材料结构能量传输不稳定或者传输效率低的问题，所述的1-3型磁电复合材料利用蜂窝状压电陶瓷体的烧结过程实现压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结，避免了上述问题，同时提高了复合材料磁电转换效率和响应频率。

本发明的第二目的在于提供一种所述的1-3型磁电复合材料的制备方法，该方法简单、可行，对挤制成型模具进行设计可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状压电陶瓷坯体，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种1-3型磁电复合材料，包括极化的压电陶瓷材料层和磁化的磁致伸缩材料柱，所述压电陶瓷材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述磁致伸缩材料柱贯穿设置于所述压电陶瓷材料层的通孔内，所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层等高，且所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层之间通过热处理粘结，所述压电陶瓷材料层的两端镀覆电极。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的通孔的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的厚度不小于100μm。

进一步地，所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层的通孔的横截面形状相同；

进一步地，所述通孔的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的的横截面积不小于1cm²，所述磁致伸缩材料柱的横截面积不小于300μm²。

进一步地，所述压电陶瓷为PZT、PMnS或者BNT中的一种。

进一步地，所述的磁致伸缩材料为铁氧体磁致伸缩材料，优选的铁氧体为CoFe₂O₄或者NiFe₂O₄中的一种。

进一步地，所述电极的材料为Cu、Au或Ag中的一种。

如上所述的1-3型磁电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用塑性聚合物法将压电陶瓷粉体制备成压电陶瓷泥料，采用挤制成型技术将陶瓷泥料制备成蜂窝状压电陶瓷坯体；采用塑性聚合物-挤制成型技术制备形状与蜂窝状的压电陶瓷通孔相匹配的磁致伸缩材料柱；

(2)、将磁致伸缩材料柱依次嵌入蜂窝状压电陶瓷坯体的通孔中，经过排塑和烧结处理后，利用热处理过程中坯体的收缩和烧结作用实现压电陶瓷与磁致伸缩材料之间的粘结，得到1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(3)、根据磁电复合材料成品对厚度的要求，1-3型磁电复合结构沿磁致伸缩材料柱轴向的垂直方向进行切割，并在压电陶瓷材料层两端镀覆电极并进行极化处理，得到1-3型磁电复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本申请所提供一种1-3型磁电复合材料，利用蜂窝状压电陶瓷体的烧结过程实现压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结，同时提高了复合材料磁电转换效率和响应频率。