[发明专利]一种剪切型压电纤维复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种剪切型压电纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：将沿厚度方向极化的锆钛酸铅压电陶瓷片的一面进行切割，形成均匀排列的压电纤维；在纤维间隙内填充环氧树脂并固化，得填充有环氧树脂的压电纤维；将锆钛酸铅压电陶瓷片的与切割面相对的一面减薄，得锆钛酸铅压电陶瓷‑环氧树脂复合层；在锆钛酸铅压电陶瓷‑环氧树脂复合层的上下两面用环氧树脂复合柔性叉指状电极，上下两面的柔性叉指状电极呈镜面对称，且柔性叉指状电极的指部与压电纤维平行；对环氧树脂进行固化，即得。该方法工艺简单，所得压电纤维复合材料整体性好、压电纤维清晰、具有一定的柔性、能抵御弯曲变形，并且电学性能、应变性能和驱动性能均良好。

技术领域

本发明涉及压电材料技术领域，具体涉及一种剪切型压电纤维复合材料的制备方法。

背景技术

目前广泛使用的压电陶瓷以及包括d₃₃型压电纤维复合材料在内的压电陶瓷复合材料均是基于压电陶瓷的轴向压电效应，即作用于压电陶瓷的驱动电场方向与陶瓷的极化方向平行，压电陶瓷产生沿极化方向(d₃₃)或垂直于极化方向(d₃₁)的变形，如图21所示。除了轴向压电效应，包括PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)、BaTiO₃等在内的压电陶瓷材料还具有一种剪切压电效应，即当外加电场方向与其极化方向垂直时，则压电陶瓷会产生一个纯剪切(d₁₅)变形，如图22所示。基于轴向压电效应工作的压电材料应用于振动抑制或自适应控制时，通常将压电材料及器件直接粘贴于主体结构表面，通过压电材料的伸展变形模式来对主结构进行控制。这种表面粘贴的驱动方式最明显的一个缺点在于必须保证压电材料与主结构之间粘合紧密，否则在受到外部载荷的冲击作用时很容易发生剥落。

1995年，Sun和Zhang提出一种新型的自适应结构，压电陶瓷芯板处于上下两片主体结构面板中间，其中芯部的压电陶瓷极化方向为长度方向，驱动电场沿其厚度方向施加，在电场作用下通过压电材料的剪切变形模式来对主结构进行控制。由于压电材料位于主体结构芯部，外部载荷对其影响较小。进一步模拟发现，不管是在相同电场作用下还是相同机械载荷作用下，剪切模式自适应结构中的应力水平都要比伸展模式自适应结构的应力水平小。

目前，剪切模式压电材料主要的应用潜力集中在振动控制领域，相关研究包括主动振动控制、被动振动控制和主被动振动控制，并且研究表明剪切模式压电材料具有较好的振动抑制效果，甚至在一定条件下相对于伸展模式压电材料其附加阻尼和减振幅度更高。

尽管剪切模式的压电陶瓷在自适应结构中所受应力比伸展模式小，但陶瓷材料的脆性仍然限制了其应用范围，特别是对于曲面等复杂形状的主体结构。针对这种情况，相关研究人员提出了以下两种不同构型的d₁₅型压电纤维复合材料。

Raja于2008年提出了一种能够实现剪切模式工作的d₁₅型压电纤维复合材料。与d₃₃型压电纤维复合材料类似，这种d₁₅型压电纤维复合材料同样是由矩形压电陶瓷纤维、树脂基体和柔性铜电极组成的片状复合材料，继承了其柔性。其极化沿纤维宽度方向进行，上下电极极性相反，电场沿纤维厚度方向施加，实现了整体材料的剪切工作模式。但是该结构复合材料在制备过程中需要将极化好的纤维有序排列并粘接起来，排列过程中纤维的平形度以及极化方向是否能按照设计要求严格地沿水平方向等因素均会影响整体材料的驱动性能。

而在Kranz的论文中提到了另一种构型的d₁₅型压电纤维复合材料。与Raja不同的是，这种d₁₅型压电纤维复合材料是由沿长度方向极化的压电陶瓷片加工制备而来，极化沿纤维长度方向，电场仍然沿纤维厚度方向施加。由于以一整片压电陶瓷片为原料，该结构保证了陶瓷纤维的极化方向在纤维长度方向上的一致性，然而在纤维长度方向极化压电陶瓷时需要非常高的极化电压，因而该结构只适合于在实验室制备小尺寸样品，难以实际应用。

发明内容