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CN105405964B - 一种压电纤维复合结构层的制备方法 - Google Patents

一种压电纤维复合结构层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压电纤维复合结构层的制备方法，采用切割法或模压法制备压电陶瓷或压电单晶薄层，获得不同厚度的压电薄层；采用热压法将热固性聚合物制备成不同厚度的聚合物薄层，将聚合物薄层在长度和宽度上切割成与压电薄层一致；由下而上，将压电薄层和聚合物薄层交替堆叠并对齐，压电薄层和聚合物薄层之间涂覆聚合物胶液，并控制最上层为压电薄层，采用热压法将上述堆叠体热压固化，得到2‑2型压电复合结构；根据压电纤维复合结构层成品厚度要求，将2‑2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割即得。其可精确控制压电纤维复合层结构参数，制备出纤维体积分数及尺寸系列化的复合结构层，有效提高MFC结构压电纤维复合材料的生产效率。

Description

一种压电纤维复合结构层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种压电纤维复合结构层的制备方法。
背景技术
压电材料是一类基于机械能与电能之间转换的智能材料，在驱动、传感、结构健康监测和能量采集能等领域具有广泛的应用前景。目前应用最广泛的压电材料为压电晶体材料(压电陶瓷和压电单晶)，由于压电晶体材料高脆性、高声阻抗、低柔韧性和较差的环境适应性等使其在智能材料领域的应用受到限制。
为了克服压电晶体材料应用过程中存在的不足，从20世纪70年代起，科研工作者们开始尝试把复合材料的概念引入压电材料中，将高压电性能的晶体材料与高柔韧性的聚合物基体通过复合的方式制备成压电复合材料。由于聚合物相的引入，压电复合材料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，极大地拓展了压电材料的应用领域。
压电复合材料种类众多，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，由压电纤维复合结构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，基于MFC结构压电纤维复合材料中压电纤维复合结构层的制备方法主要有排列-浇注法、切割-填充法和脱膜法等，其中切割-填充法精度高且操作简单，可以制备出高性能的MFC，受制备技术和加工设备限制，切割-填充法工作效率较低，切割缝隙宽度难以控制，由此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，且切割缝隙宽度大时，保证高的纤维体积分数则意味着纤维宽度必须加大，而这会大大降低复合材料的韧性，且切割缝隙宽度太小时会严重影响聚合物的浇注效果，由此难以制备出结构与性能系列化的MFC结构压电纤维复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术提供的制备压电纤维复合结构层的方法中纤维间聚合物厚度难以控制、制作效率低下等问题，提出一种改进的简单高效的压电纤维复合结构层的制备方法，可以精确控制压电纤维复合层结构参数，提高制备效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
提供一种压电纤维复合结构层的制备方法，步骤如下：
采用切割法或模压法制备压电陶瓷或压电单晶薄层(统称压电薄层)，获得不同厚度的压电薄层；
采用热压法将热固性聚合物制备成不同厚度的聚合物薄层，将聚合物薄层在长度和宽度上切割成与压电薄层一致；
由下而上，将压电薄层和聚合物薄层交替堆叠并对齐，压电薄层和聚合物薄层之间涂覆聚合物胶液，并控制最上层为压电薄层，然后采用热压法将上述堆叠体热压固化，得到2-2型压电复合结构；
根据压电纤维复合结构层成品的厚度要求，将2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割，制备成压电纤维和聚合物纤维交替排列的压电纤维复合结构层。
进一步地，所述交替堆叠时，在位于下方的压电薄层或聚合物薄层和位于上方的聚合物薄层或压电薄层上涂覆聚合物胶液，然后将位于下方的压电薄层或聚合物薄层和位于上方的聚合物薄层或压电薄层对应叠合。
进一步地，所述的聚合物胶液为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂等热固性树脂中的任意一种。
进一步地，采用切割法或模压法制备尺寸系列化的压电薄层，其厚度范围50-2000μm，其它尺寸不限。
进一步地，采用热压法制备尺寸系列化的聚合物薄层，其厚度范围20-2000μm，其它尺寸不限。
进一步地，所述热固性聚合物的种类不受限制，可以是环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂等热固性树脂中的一种。
进一步地，所述的压电陶瓷是PZT、PMnS或BNT等压电陶瓷体系中的任意一种。
进一步地，所述的压电单晶可以是PMN-PT或PMNT等压电单晶中的任意一种。
进一步地，所述的压电纤维复合结构层的厚度的可以按照设计要求进行调节，调节范围为50-2000μm；所述的压电纤维复合结构层中压电纤维之间聚合物的厚度可以按照设计要求精确调节，制备压电纤维体积分数系列化的压电纤维复合结构层，压电纤维体积分数范围0-100％。
进一步地，所述的压电纤维复合结构层的宽度可根据压电薄层和聚合物薄层厚度及堆叠的层数进行调整，其厚度即压电薄层厚度×层数与环氧树脂薄层×层数之和。
本发明具备以下有益效果：
本发明提供的压电纤维复合结构层的制备方法进行压电纤维复合结构层的制作很容易实现压电纤维复合结构层中压电纤维体积分数的系列化，特别是在压电纤维尺寸较小时，也可以制备出高纤维体积分数的压电纤维复合结构层，提高压电纤维复合层的柔韧性。有效避免了传统方法制备压电纤维复合结构层中纤维间距较小时聚合物填充困难、聚合物层厚度难以控制、以及聚合物层尺寸不一致的问题；
本发明方法用于压电纤维复合结构层的制备，可实现尺寸的简单、精确控制，提高制备效率。通过切割，可准确实现压电纤维复合结构层的厚度的调节，厚度调节范围为50-2000μm；获得的压电纤维复合结构层中压电纤维与聚合物之间结合紧密，且压电纤维之间聚合物的厚度均匀，尺寸精确可控，在20-2000μm内可调。压电纤维之间聚合物的厚度可以按照设计要求精确调节，制备压电纤维体积分数系列化的压电纤维复合结构层，压电纤维体积分数可调范围0-100％，压电纤维复合结构层的宽度可根据压电薄层和聚合物薄层厚度及堆叠的层数进行调整，即压电薄层厚度×层数与环氧树脂薄层×层数之和。
附图说明
图1所示为压电纤维复合结构层的制备流程和组成结构图，包括堆叠、热压固化和切割三个部分。其中1为压电薄层，2为聚合物薄层，3为切割后的压电薄层即压电纤维，4为切割后的聚合物，5为压电纤维复合结构层。
图2为采用本发明制备的压电纤维复合结构层的实物图。
具体实施方式
以下具体实施方案是对本发明的进一步说明，不是对本发明的进一步限定。
实施例1：
本实施例以PZT-5H基MFC结构压电纤维复合材料的制备为目的，采用本发明制备压电纤维复合结构层，具体过程如下：
1.以PZT-5H压电陶瓷粉体为原材料，采用固相合成法制备成尺寸为60×20×20mm的压电陶瓷块体，切割成尺寸为60×20×0.4mm的压电薄层若干。
2.以环氧树脂为原材料，采用热压法制备成厚度为0.1mm的环氧树脂薄层，切割成大小为60×20×0.1mm的环氧树脂薄层若干。
3.将步骤1所制备的压电薄层取10片，将步骤2所制得的聚合物薄层取9片，在所有压电薄层和聚合物薄层中需要粘结的面均匀涂覆一层环氧树脂胶液(聚合物胶液的涂覆厚度一般控制在10-30μm，通过热压固化控制最终成型后厚度为1-3μm)，由下而上，按照如图1所示的顺序将压电陶瓷薄层和环氧树脂薄层交替堆叠并进行热压固化，获得2-2型压电复合结构。
4.将步骤3所制备的2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割，调整切割的刀距，即可制备获得尺寸为(20或60)×4.9×(压电纤维复合层厚度，通过刀距调节)mm的PZT-5H压电纤维复合结构层，其结构示意图如图2所示，纤维体积分数约为81.6％。
本发明提供的PZT-5H压电纤维复合结构层中聚合物厚度层厚度均匀，均一性高，经纤维推出试验测试，其推出强度约为1.2-1.5GPa，说明聚合物与压电纤维之间粘结强度高。
实施例2：
本实施例以PMnS基MFC结构压电纤维复合材料的制备为目的，采用本发明制备压电纤维复合结构层，具体过程如下：
1.以PMnS压电陶瓷粉体为原材料，采用固相合成法制备成尺寸为40×40×20mm的压电陶瓷块体，切割成尺寸为40×40×0.3mm的压电薄层若干。
2.以聚酯树脂为原材料，采用热压法制备成厚度为0.05mm的聚酯树脂薄层，切割成大小为40×40×0.05mm的聚酯树脂薄层若干。
3.将步骤1所制备的压电薄层取11片，将步骤2所制得的聚酯树脂薄层取10片，在压电薄层和聚酯树脂薄层两面均于涂覆一层聚酯树脂胶液，按照如图1所示的顺序堆叠并进行热压固化，获得2-2型压电复合结构。
4.将步骤3所制备的2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割，调整切割的刀距，即可制备获得尺寸为40×3.8×(压电纤维复合层厚度，通过刀距调节)mm的PMnS基压电纤维复合结构层，纤维体积分数约为86.8％。

Claims (5)

1.一种压电纤维复合结构层的制备方法，其特征在于：步骤如下：
采用切割法或模压法制备压电陶瓷或压电单晶薄层，获得不同厚度的压电薄层，所述的压电陶瓷是PZT、PMnS或BNT压电陶瓷体系中的任意一种，采用切割法或模压法制备尺寸系列化的压电薄层，其厚度范围50-2000μm，其它尺寸不限；
采用热压法将热固性聚合物制备成不同厚度的聚合物薄层，将聚合物薄层在长度和宽度上切割成与压电薄层一致，所述热固性聚合物为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂热固性树脂中的一种，采用热压法制备尺寸系列化的聚合物薄层，其厚度范围20-2000μm，其它尺寸不限；
由下而上，将压电薄层和聚合物薄层交替堆叠并对齐，压电薄层和聚合物薄层之间涂覆聚合物胶液，并控制最上层为压电薄层，然后采用热压法将上述堆叠体热压固化，得到2-2型压电复合结构，所述的聚合物胶液为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂等热固性树脂中的任意一种；
根据压电纤维复合结构层成品的厚度要求，将2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割，制备成压电纤维和聚合物纤维交替排列的压电纤维复合结构层。
2.根据权利要求1所述的压电纤维复合结构层的制备方法，其特征在于：所述交替堆叠时，在位于下方的压电薄层或聚合物薄层和位于上方的聚合物薄层或压电薄层上涂覆聚合物胶液，然后将位于下方的压电薄层或聚合物薄层和位于上方的聚合物薄层或压电薄层对应叠合。
3.根据权利要求1所述的压电纤维复合结构层的制备方法，其特征在于：所述的压电单晶可以是PMN-PT或PMNT压电单晶中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的压电纤维复合结构层的制备方法，其特征在于：所述的压电纤维复合结构层的厚度可以按照设计要求进行调节，调节范围为50-2000μm；所述的压电纤维复合结构层中压电纤维之间聚合物的厚度按照设计要求精确调节，制备压电纤维体积分数系列化的压电纤维复合结构层，压电纤维体积分数范围0-100％。
5.根据权利要求1所述的压电纤维复合结构层的制备方法，其特征在于：所述的压电纤维复合结构层的宽度根据压电薄层和聚合物薄层厚度及堆叠的层数进行调整，其厚度即压电薄层厚度×层数与环氧树脂薄层厚度×层数之和。
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