结构振动控制中压电陶瓷作动器的粘贴方法

摘要

一种结构振动控制中压电陶瓷作动器的粘贴方法：1)对需要覆盖压电陶瓷作动器的构件表面粘贴区域打磨粗化；2)对压电陶瓷作动器负极和构件表面的粘贴区域进行脱脂处理和清洗、干燥；3)配制银粉导电胶；4)压电陶瓷作动器负极朝外地放入夹具的凹槽内，并在压电陶瓷作动器的负极和构件粘贴区域涂上导电胶，将压电陶瓷作动器负极朝向构件粘贴区域地扣在构件的粘贴区域，在压力为0.4-0.6公斤/厘米2，温度为40-60℃的条件下固化5-8小时。本发明相对于一般粘贴方法来说，有效提高了压电陶瓷作动器的作动效能，增强了抑制受控对象振动的效果，同时将所有压电陶瓷作动器的负极通过金属结构连接在一起，减少了受控对象上的布线数量。

说明书

技术领域

本方法涉及到结构振动控制中压电陶瓷作动器功能增强的粘贴方法，特别涉及到压电陶瓷作动器在金属结构表面的粘贴方法。

背景技术

随着压电技术的成熟，压电材料得到了广泛应用，这促进了当前关于各类结构的主动振动控制的研究。其中一类主动振动控制方法是将压电陶瓷作动器粘贴在受控对象的表面，利用压电效应抑制受控对象的振动。中国专利ZL 200810027186.4(太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法)采用这种主动振动控制方式，但没有给出压电陶瓷作动器在其受控对象上的粘贴方法。一般粘贴方法没有采用高强度胶水和相应的导电材料，粘贴的压电陶瓷作动器容易脱落，对每个压电陶瓷片的负极都需要单独布线，因而带来了繁重的布线任务。最重要的是它不能使压电陶瓷作动器的作动效能得到提高，也不能快速地使受控结构的振动得到衰减。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构振动控制中压电陶瓷作动器的粘贴方法，以解决在金属板结构上采用一般粘贴方法无法有效使压电陶瓷作动器的作动效能增强，无法快速对受控结构的振动进行抑制的问题。同时还解决了一般方法布线量大、粘贴不牢、强度不够等问题。

本发明提供的结构振动控制中压电陶瓷作动器的粘贴方法，其主要步骤为：

1)对需要覆盖压电陶瓷作动器的构件表面粘贴区域打磨粗化；较佳地是用360目砂布在构件表面粘贴区域上按照±45°方向交叉打磨粗化。

2)对压电陶瓷作动器负极和构件表面的粘贴区域进行脱脂处理和清洗、干燥；较佳地是先用丙酮和酒精进行脱脂，再用酸蚀液进行脱脂，清洗是用60-65℃自来水，并在60-70℃干燥。

3)配制银粉导电胶。本发明折导电胶的配方如下(重量)：

环氧树脂             12-14份

邻苯二甲酸二烯丙酯   1份

咪唑类固化剂         2份

电解银粉             15-17份

将环氧树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯、咪唑类固化剂、电解银粉依次按照比例倒入洁净的玻璃容器，用玻璃棒搅拌均匀后置于阴凉处。

4)压电陶瓷作动器负极朝外地放入夹具的凹槽内，并在压电陶瓷作动器的负极和构件粘贴区域涂上导电胶，较佳地导电胶的厚度为0.5mm-1mm，将压电陶瓷作动器负极朝向构件粘贴区域地扣在构件的粘贴区域，在压力为0.4-0.6公斤/厘米²，温度为40-60℃的条件下固化5-8小时，较佳的压力为0.5公斤/厘米²，温度为60℃，固化时间为5小时。

本发明解决了采用一般粘贴方法无法有效使压电陶瓷作动器的作动效能增强，无法快速对受控结构的振动进行抑制的问题。同时还解决了一般方法布线量大、粘贴不牢、强度不够等问题。其主要优点是：

(1)增大了压电陶瓷作动器负极的有效厚度，在本发明选定的导电胶层厚度下能够有效增强极化效应，电场强度大大增强，能够为抑制受控对象的振动提供更好的效果；

(2)制备的导电粘合剂连通压电陶瓷作动器的负极和金属材料，便于压电陶瓷作动器的负极连接到电路的回路中，大大减少了布线数量。

附图说明

图1是本发明受控结构及压电陶瓷作动器的摆放位置示意图。

图2是本发明粘贴位置±45°方向交叉打磨示意图。

图3是本发明压电陶瓷作动器有效厚度增大示意图。

图4是本发明压电陶瓷作动器夹具工程示意图。

图5是本发明受控结构表面与内部材料示意图。

图6是普通胶粘贴的压电陶瓷作动器电压-归一化应变测量结果图。

图7是本发明粘贴的压电陶瓷作动器电压-归一化应变测量结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种结构振动控制中压电陶瓷作动器的功能增强方法，该方法胶合的压电陶瓷作动器负极厚度增大，由简化的压电方程和压电复合材料的立方体模型公式：

$ϵ=\frac{\sigma }{Y}+d_{31}{E}_3=\frac{\sigma }{Y}+d_{31}\frac{V}{{ϵ}_{r}d}$

${ϵ}_r=d_{31}\frac{v}{v^{1/3}+(1-v^{1/3})\times \frac{{ϵ}^1}{{ϵ}^2}}\times \frac{1}{1-v^{1/3}+v}$

可知压电陶瓷作动器厚度造成v的变化远远大于d的变化，而固化后导电胶水的介电常数大于压电陶瓷作动器的介电常数，因而相同电压和相同应力下本发明减小了压电陶瓷作动器所需发生的应变。式中ε为压电陶瓷作动器的形变，ε¹是压电陶瓷作动器的介电常数，ε²是导电胶固化后的介电常数，ε_r为整体的介电常数，v是整体中压电陶瓷的体积份数，V为加载在陶瓷片上的电压，d为陶瓷片厚度，Y为压电陶瓷作动器的弹性模量，σ为应力大小，d₃₁是应变方向的压电应变常数。

本发明的具体过程是：

步骤一、确定粘贴点后，对压电陶瓷作动器需要覆盖的构件表面的粘贴区域进行标记。

步骤二、用360目砂布在构件表面的粘贴区域上按照±45°方向交叉打磨粗化；

步骤三、用丙酮溶剂和酒精对压电陶瓷作动器负极和构件表面进行脱脂处理，根据金属构件材料的不同，选择不同的酸蚀液在粘贴区域反复涂刷5-6分钟；

步骤四、用60-65℃自来水将构件表面漂洗干净；

步骤五、在60-70℃环境中干燥30分钟；

步骤六、将压电陶瓷作动器的负极朝外放入夹具内，夹具为一长方体铝合金结构，长方体规格大小为28mm×48mm×5mm，以长方体的底面为基准面，上下左右各边分别留4mm，铣去一规格大小为20mm×40mm×1mm的长方体凹槽用于放置压电陶瓷作动器，并在顶面中心铣去半径大小为4mm的圆孔用于分离夹具和压电陶瓷作动器，用导电粘合剂均匀涂抹在压电陶瓷作动器负极和构件表面的粘贴区域，在通风干燥处晾2-3分钟，然后将夹具倒扣在构件表面的粘贴区域，对正后轻压，利用夹具容易控制胶层厚度在0.5mm-1mm，然后用刀片去掉挤压出的粘合剂。

步骤七、在压力条件为0.5公斤/厘米²，温度为60℃条件下固化5小时。

下面以由铝合金板夹心板为对象，具体描述结构振动控制中压电陶瓷作动器功能增强的粘贴方法。

结构振动控制中压电陶瓷作动器功能增强的粘贴方法，需要压电陶瓷作动器12片，规格为20mm×40mm×0.5mm。构件内部为蜂窝状的铝合金复合材料，其厚度为5mm，构件上下表面为铝合金金属材料板，厚度都为1mm。

本实施例具体实施步骤是：

步骤一、对所有粘贴点覆盖的区域进行标记，如图1中的小方条所示；

步骤二、用360目砂布在铝合金表面(图5)的所有粘贴点(图1)上按照±45°方向交叉打磨粗化，直到能看见呈90°交叉的晶格出现，如图2中的网格线为打磨后铝合金表面的样子；

步骤三、用软毛刷蘸丙酮溶剂对铝合金表面和压电陶瓷作动器表面进行清洗，在常温下晾干或在60℃条件下烘干，再用另一只软毛刷蘸酒精对铝合金表面和压电陶瓷作动器表面进行清洗，用96％的浓硫酸和75％的硫酸亚铁混合，按照185g∶75g的质量比进行混合，用去离水稀释至500ml，加热至60℃后在粘贴区域反复涂刷5-6分钟；

步骤四、用60-65℃的自来水漂洗所有粘贴点，直到整个受控结构上的粘贴区域表面干净；

步骤五、将受控结构置于60-70℃环境下干燥30分钟；

步骤六、在胶合前制备导电粘合剂，将环氧树脂130g及邻苯二甲酸二烯丙酯10g、咪唑类固化剂20g和电解银粉150g依次倒入塑料杯，用玻璃棒均匀混合，放置于阴凉处保存；

步骤七、将压电陶瓷作动器(图3)放入加工好的夹具(图4)内，使图3中所示的其负极朝外，用导电粘合剂均匀涂抹在压电陶瓷作动器负极和粘贴区域(图1)，在通风干燥处晾2～3分钟，然后将夹具倒扣在粘贴区域，对正后轻压，利用夹具控制胶层厚度为0.5mm-1mm之间，用刀片去掉挤压出的粘合剂。

步骤八、在压电陶瓷作动器上均匀施加4公斤的重物，在温度为60℃条件下固化时间为5小时。

步骤九、压电陶瓷作动器机电特性实验

采用专利号200820181318.4的测量装置(一种压电陶瓷片力学性能测量连接装置)，对压电陶瓷作动器的机电特性进行测量。

图6为普通粘贴条件下，按图3所示的正负极给压电陶瓷作动器施加电压，得到的机电特性图。这时，图3中Δd为普通粘合剂。

图7为本方法粘贴条件下，按图3所示的正负极给压电陶瓷作动器施加电压，得到的机电特性图。这时，图3中Δd为本方法步骤六所制备的导电粘合剂。

比较图6与图7可见在同样的电压下，例如电压为100伏时，由本方法可产生更大的应变，说明本方法使压电陶瓷作动器功能增强。