[发明专利]压电纤维复合层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料制备技术领域，尤其是涉及一种压电纤维复合层及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是一种基于电能与机械能之间相互耦合作用的智能复合材料，其兼具压电晶体材料的优异压电性能和聚合物基体的柔韧性等特点。压电复合材料结构种类众多，压电陶瓷纤维复合材料以压电陶瓷纤维和聚合物基体复合而成，其既保留了压电晶体材料高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差的不足，且具有单向性能突出和可设计性强等特点，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应变性能。

目前，MFC结构压电纤维复合材料多采用均匀结构，难以满足压电纤维复合材料的多样化应用需求，为此研究者们提出了梯度化的压电纤维复合材料，对MFC结构中压电纤维的宽度进行梯度化设计，满足压电纤维复合材料在不同领域的应用。基于MFC结构的梯度结构压电纤维复合材料的制备主要是采用切割-填充法进行，将压电薄片切割的间距进行梯度化调节，从而使压电纤维的宽度梯度化，最后浇注填充聚合物即获得梯度结构压电纤维复合层，采用柔性叉指电极进行封装后获得梯度结构压电纤维复合材料。

然而，与传统MFC结构压电纤维复合材料的制备相比，采用切割-填充法制备梯度结构压电纤维复合层对设备要求更高，不能在较大范围内控制压电纤维之间的缝隙，且效率很低，当缝隙宽度太小时会严重影响聚合物的浇注效果，难以实现压电纤维复合结构层中纤维间聚合物的厚度的任意调节，更难以制备出结构与性能系列化的梯度结构压电纤维复合材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电纤维复合层及其制备方法，该制备方法能够精确控制压电纤维复合层的结构参数，提高制备效率，有效缓解现有的制备梯度结构压电纤维复合层方法中，纤维间聚合物宽度难以控制、制备效率低下等问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种压电纤维复合层制备方法，方法包括：

制备多个厚度尺寸梯度化的压电薄层；

制备多个长度、宽度与压电薄层一致的聚合物薄层；压电薄层的数量比聚合物薄层的数量多一个；

将多个压电薄层以及多个聚合物薄层进行间隔堆叠和固化，得到梯度压电复合结构；

对梯度压电复合结构沿堆叠方向进行切割，得到压电纤维复合层；压电纤维复合层包括：压电纤维与聚合物纤维。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，将多个压电薄层以及多个聚合物薄层进行间隔堆叠和固化，得到梯度压电复合结构，具体包括：

将多个压电薄层根据厚度大小进行有序堆叠；

在任意相邻的两个压电薄层之间插入一个聚合物薄层；

在压电薄层与聚合物薄层的临界面上均匀涂覆一层聚合物胶液；

将压电薄层与聚合物薄层进行固化，得到梯度压电复合结构。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，在对梯度压电复合结构沿堆叠方向进行切割之前，还包括：

对切割工艺的切割尺寸进行设定；切割尺寸为连续两次切割的刀距；切割尺寸范围是：50μm-2000μm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，压电纤维的宽度与压电薄层的厚度一致，聚合物纤维的宽度与聚合物薄层的厚度一致。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，压电薄层厚度范围为50μm-2000μm，厚度递进量范围为10μm-500μm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，压电薄层包括：压电陶瓷薄层或者压电单晶薄层。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，聚合物薄层的厚度范围为：20μm-2000μm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，在制备多个厚度尺寸梯度化的压电薄层之前，还包括：

设定压电纤维复合层中的压电纤维的体积分数；

根据体积分数以及压电纤维体积分数计算公式，预估压电薄层和聚合物薄层的厚度以及数量。