[发明专利]一种压电陶瓷纤维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷纤维复合材料，同时涉及一种压电陶瓷纤维复合材料的制备方法，尤其涉及一种由压电陶瓷材料和高分子材料组成的压电陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

智能结构是相对于传统的被动结构提出来的，它是以智能材料作为传感元件和驱动元件，在功能上能感识外界和内部状态与性能的变化，并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识，进而采取相应的最优或者近优控制律以作出合理的响应的一类结构。目前，智能结构驱动部分采用最多的是压电陶瓷，随着研究和应用的进行，发现压电陶瓷材料存在许多缺陷。例如：容易出现脆性断裂，在处理和焊接时应特别小心，无法应用于应变较大的场合。在长期使用过程中，陶瓷内部会出现微小裂纹，可靠性差，且很难粘贴在表面弯曲的结构上。

二十世纪七十年代出现压电复合材料弥补了上述不足，压电复合材料是指由两相或多相材料复合而成的压电材料。压电陶瓷-聚合物复合材料是其中研究得最广泛的一种，它不仅具有压电陶瓷良好的压电性能，还具有聚合物的柔韧性及低声阻抗等优点，在水听器、生物医学成像、无损检测等诸多方面被广泛的用作换能器。按照两相材料的不同连通方式，压电复合材料分为十种基本类型，后来又发展了更多的类型。通常第一个字代表压电陶瓷的连通维数，第二个数字代表聚合物的连通维数，习惯上把对功能效应起主要作用的相的维数放在前面，而把基体的维数放在后面，即0-3，1-3，2-2，2-3和3-3型等等。

由于传统的压电陶瓷存在机械品质因数Q_m高、压电电压常数g₃₃、径向共振强，厚度共振弱 (k_t< k_p)及声阻抗大等缺陷，不适合医疗超声和无损检测换能器宽带、窄脉冲、高灵敏度和高分辨率的要求。人们尝试用压电聚合物代替压电陶瓷，比如压电高聚物聚偏二氟乙烯(PVDF)。压电聚合物虽然声阻抗低，易与轻负载匹配，但压电应变常数d₃₃太低。含有陶瓷相和聚合物相的压电复合材料克服了单相压电材料的缺点，保留了陶瓷材料的高压电性，具有较低的声阻抗和较低的机械品质因数，适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲换能器，可用于声纳装置和医学诊断换能器。

1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中而形成的两相复合压电材料。根据排列方式的不同可分为矩形压电柱复合材料、圆柱形压电柱复合材料、电极压电纤维复合材料和交叉指型压电纤维复合材料。

美国麻省理工学院(MIT)自控制材料结构研究实验室最早研制了主动压电纤维复合材料(AFC)，它是横截面为圆形的压电纤维横向排列在聚合物基体中的一种复合材料。AFC驱动器也是第一个使用指形交叉电极(IDE)的驱动器，IDE所产生的电场平行于压电纤维轴的方向，可以激发较大的伸缩应变，较高的压电应变常数d₃₃。虽然与传统陶瓷相比AFC具有很多优点，但是由于圆形纤维与电极的接触面积很小，导致电场损耗较大，效率较低。美国NASA LaRC于2001年研制了最新的粗压电纤维复合材料(MFC)，它不仅具有AFC的全部卓越性能，同时又克服了AFC的不足，是目前最理想的智能材料。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种1-1型压电陶瓷纤维复合材料，该复合材料由压电陶瓷薄片和高分子材料聚合物相间叠层切割而成，同时提供一种用于制备该种1-1型压电陶瓷纤维复合材料的方法，该方法通过先制备得到2-2型压电陶瓷纤维复合叠层，然后再处理得到1-1型压电陶瓷纤维复合材料。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的一种压电陶瓷纤维复合材料，包括一组并列的压电陶瓷片，相邻的压电陶瓷片之间设有高分子材料聚合物层，并且压电陶瓷片形状与高分子材料聚合层形状相同，所述的高分子材料可选用丙酮、聚酰胺和环氧树脂的混合材料。

本发明的压电陶瓷纤维复合材料的制备方法，利用传统的固相法合成压电陶瓷粉体，将粉体配制成浆料，然后利用流延成型法制备压电陶瓷坯片，烧结后得到压电陶瓷薄片。采用排列-浇注法使其成为一个压电陶瓷薄片和环氧树脂相间排列的叠层结构，经切割制得MFC压电纤维复合材料。具体包括下列步骤：