[发明专利]一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法，涉及材料制备技术领域。该横向梯度短纤维压电复合材料包括叉指电极和位于叉指电极的上下电极之间的压电纤维复合层，压电纤维复合层包括沿轴线方向依次相连的多个短纤维压电复合单元，每个短纤维压电复合单元均包括多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维，多根极化短压电纤维在拼接方向上的宽度呈梯度变化。其在封装前就完成极化，极化完全且均匀不存在极化“死区”的问题，同时增强对非平面结构的适应性。该横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其制备上述横向梯度短纤维压电复合材料，复合材料结构尺寸精确可控，容易实现压电纤维复合材料结构与性能系列化和批量化的制备。

技术领域

本发明涉及一种材料制备技术领域，且特别涉及一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是一类基于电能与机械能之间相互耦合作用的功能复合材料，根据复合原理与结构不同，其种类繁多，压电纤维复合材料以压电纤维和聚合物纤维复合而成，其兼具压电晶体材料的优异压电性能和聚合物纤维的柔韧性等特点，克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差的不足，且具有突出单向性能和优秀的可设计性等特点，被广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康监测和能量采集等众多领域。由美国NASA Langly研究中心提出的MFC(Macro fiber composites)结构压电纤维复合材料，由压电纤维复合层与柔性叉指电极组合封装而成，纤维截面形状为矩形，借助叉指电极(Interdigital electrodes,IDEs)独特的电场分布特性，可以使复合材料以d₃₃模式工作，有效发挥压电纤维复合材料的纵向(沿着压电纤维的轴向)应变性能。

目前，基于d₃₃模式的MFC结构压电纤维复合材料主要以连续的长压电纤维为功能相，由于复合材料工作模式和压电纤维的特殊结构，导致此类压电纤维复合材料中压电纤维的极化必须在压电纤维复合层与柔性叉值电极封装完成后才能进行。由于叉值电极的特殊结构及独特的电场分布状态，使得压电纤维内部电场分布不均匀，会在指柔性叉值电极的指电极正下方产生极化“死区”，容易导致压电纤维极化不均匀，且难以充分极化，不能有效发挥其压电性能。此外，压电纤维内部电场分布的不均匀，容易在复合材料极化过程中在压电纤维、电极与聚合物之间的界面产生应力集中，破坏复合材料的结构，会极大降低压电纤维复合材料的稳定性和服役周期。单纯的叉值电极结构使压电纤维复合材料在应用过程中驱动电场强度不均匀，使复合材料的性能难以有效发挥，限制了压电纤维复合材料的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种横向梯度短纤维压电复合材料，旨在改善压电纤维在极化过程中容易出现极化死区的问题，同时增强对非平面结构的适应性。

本发明的另一目的在于提供一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其在封装前进行极化，对设备的强度要求低且防止出现极化死区的现象。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种横向梯度短纤维压电复合材料，包括叉指电极和位于叉指电极的上下电极之间的压电纤维复合层，压电纤维复合层包括沿轴线方向依次相连的多个短纤维压电复合单元，每个短纤维压电复合单元均包括多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维，多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维交替拼接，每根聚合物纤维的两侧分别与一个极化短压电纤维相连，且相邻两个短纤维压电复合单元中的极化短压电纤维的极化方向相反，多根极化短压电纤维在拼接方向上的宽度呈梯度变化，多根聚合物纤维在拼接方向上的宽度一致。

一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将多个压电薄层和多个聚合物薄层交替叠加得到压电复合结构，每个聚合物薄层的两侧分别与一个压电薄层相连，且多个压电薄层的宽度呈梯度变化，沿压电薄层所在平面的长度方向为第一方向，沿压电薄层所在平面的宽度方向为第二方向；