[发明专利]一种基于压电复合材料的传感/激励器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于压电复合材料的传感/激励器及其制备方法，涉及功能器件及其制备技术领域。该基于压电复合材料的传感/激励器包括压电复合材料、正负电极总成和上下表面保护膜，压电复合材料包括阵列微压电单元、正负导电纤维、粘结纤维和加固框。封装完成后接正负矩形焊盘进行极化，形成既能做传感器又能做激励器的高效功能器件。该功能器件不仅解决了传统的压电复合材料内部电场不均现象，克服了压电复合材料在制作过程中各相材料脱落问题，同时也保证了总线电路与导电纤维电学导通。该基于压电复合材料的传感/激励器制备方法结构尺寸和器件性能控制精准，能够实现器件系列化和批量化生产。

技术领域

本发明涉及一种功能器件及其制备技术领域，尤其涉及一种基于压电复合材料的传感/激励器及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷作为一种特殊的功能材料，可通过正压电效应感知外界应力场，也可以通过逆压电效应释放应力波。由于普通的压电材料质地硬和脆，不能适用曲面结构，国内外一些学者和科研人员将压电材料微型化，采用柔性材料充当骨架拼制成压电复合材料以适用曲面结构。压电复合材料可根据各相材料的连通方式来命名，二相压电复合材料有10种连通性，而三相压电复合材料却有20种连通性。二相压电复合材料中，具有代表性的有0-3型、2-2型和 1-3型，其中已经商业化的MFC(Macro fiber composites)属于1-3型压电复合材料。该压电复合材料通过上下表面柔性叉指正负电极贴合压电纤维封装而成，利用正负叉指电极形成的特殊正负电场，将压电纤维极化成极化方向正负相对的具有d33特性的高效功能材料，从而有效发挥压电纤维纵向应变性能，使MFC具有高效输出特性。

目前，商用基于d33特性的1-3型MFC结构中的压电纤维为连续长条型，由于其上下表面叉指电极的特殊结构，在整条压电纤维中的内部电场分布不均，在叉指电极正下方的压电纤维内部的电场为零，然后渐渐增大，导致压电纤维内部电场交变值很大，容易产生集中应力，引起疲劳损伤，影响器件的转化效率和使用寿命。近年，有学者和科研人员提出将连续的长条型压电纤维截取成小段，中间嵌入电极材料制成具有三相材质的1-2-3型的新型压电材料来解决电场不均问题。其中公开号为CN107565013A的发明专利披露了一种纵向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法，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，该压电纤维复合层采用极化好的短纤维叠加压制而成，制作过程很难保证压电复合材料的正负电极面完全重合，同时也很难保证短纤维间的间距的一致性，且压电纤维复合材料在切片和研磨厚度过程中各相材料容易脱落，同时，上下表面叉指电极与面电极也很难对准其相应位置，其成品率很低。同样的，公开号为CN108417707A的发明专利披露了一种压电复合材料的制备方法及压电复合材料，采用正反切割并填注聚合物相，该方法在研磨压电复合材料厚度过程中，同样存在各相材料容易脱落，实际操作中其成品率不高。因此，在压电复合材料及器件的制备过程中，如何解决研磨压电复合材料厚度过程中各相材料不脱落，且叉指电极与导电面电极位置相对应已成为急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压电复合材料的传感/激励器，旨在改善现有压电复合材料采用d33特性结构存在电场不均的问题，同时解决构成传感/激励器的功能材料即压电复合材料在研磨过程中各相材料脱落问题，提高成品的良品率，优选高d33和g33值的压电陶瓷功能材料，最终使该器件成为传感和激励两用的功能器件。

本发明的另一目的在于提供一种基于压电复合材料的传感/激励器的制备方法，采用中间填注导电纤维法解决阵列微压电单元内电场不均匀问题，外围加框法解决研磨各相材料脱落问题，加固框上刻蚀溅射电路法解决总线电路与导电纤维电学导通问题。

本发明解决上述技术问题是采用以下技术方案来实现的。