一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法，涉及材料制备技术领域。该横向梯度短纤维压电复合材料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，压电纤维复合层包括沿轴线方向依次相连的多个短纤维压电复合单元，每个短纤维压电复合单元均包括多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维，多根极化短压电纤维在拼接方向上的宽度呈梯度变化。其在封装前就完成极化，极化完全且均匀不存在极化“死区”的问题，同时增强对非平面结构的适应性。该横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其制备上述横向梯度短纤维压电复合材料，复合材料结构尺寸精确可控，容易实现压电纤维复合材料结构与性能系列化和批量化的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料制备技术领域，且特别涉及一种横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是一类基于电能与机械能之间相互耦合作用的功能复合材料，根据复合原理与结构不同，其种类繁多，压电纤维复合材料以压电纤维和聚合物纤维复合而成，其兼具压电晶体材料的优异压电性能和聚合物纤维的柔韧性等特点，克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差的不足，且具有突出单向性能和优秀的可设计性等特点，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，由压电纤维复合层与柔性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(沿着压电纤维的轴向)应变性能。

目前，基于d₃₃模式的MFC结构压电纤维复合材料主要以连续的长压电纤维为功能相，由于复合材料工作模式和压电纤维的特殊结构，导致此类压电纤维复合材料中压电纤维的极化必须在压电纤维复合层与柔性叉值电极封装完成后才能进行。由于叉值电极的特殊结构及独特的电场分布状态，使得压电纤维内部电场分布不均匀，会在指柔性叉值电极的指电极正下方产生极化“死区”，容易导致压电纤维极化不均匀，且难以充分极化，不能有效发挥其压电性能。此外，压电纤维内部电场分布的不均匀，容易在复合材料极化过程中在压电纤维、电极与聚合物之间的界面产生应力集中，破坏复合材料的结构，会极大降低压电纤维复合材料的稳定性和服役周期。单纯的叉值电极结构使压电纤维复合材料在应用过程中驱动电场强度不均匀，使复合材料的性能难以有效发挥，限制了压电纤维复合材料的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种横向梯度短纤维压电复合材料，旨在改善压电纤维在极化过程中容易出现极化死区的问题，同时增强对非平面结构的适应性。

本发明的另一目的在于提供一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其在封装前进行极化，对设备的强度要求低且防止出现极化死区的现象。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种横向梯度短纤维压电复合材料，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，压电纤维复合层包括沿轴线方向依次相连的多个短纤维压电复合单元，每个短纤维压电复合单元均包括多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维，多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维交替拼接，每根聚合物纤维的两侧分别与一个极化短压电纤维相连，且相邻两个短纤维压电复合单元中的极化短压电纤维的极化方向相反，多根极化短压电纤维在拼接方向上的宽度呈梯度变化，多根聚合物纤维在拼接方向上的宽度一致。

一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将多个压电薄层和多个聚合物薄层交替叠加得到压电复合结构，每个聚合物薄层的两侧分别与一个压电薄层相连，且多个压电薄层的宽度呈梯度变化，沿压电薄层所在平面的长度方向为第一方向，沿压电薄层所在平面的宽度方向为第二方向；

沿垂直于压电薄层所在平面的方向进行一次切割，且沿第一方向将压电复合结构分为多个压电复合单元，再将多个压电复合单元沿第一方向进行极化，然后将极化后的多个压电复合单元依次粘结得到极化压电复合结构；

其中，在一次切割过程中相邻两个切割面的间距相等，粘结过程中的粘结面为一次切割过程的切割面，且相邻两个压电复合单元的极化电场强度相同且极化方向相反；

将极化压电复合结构沿垂直于压电薄层所在平面的方向进行二次切割，且沿第二方向将极化压电复合结构分为多个压电纤维复合层；

将压电纤维复合层与叉指电极进行封装。

本发明实施例提供一种横向梯度短纤维压电复合材料的有益效果是：本发明提供的横向梯度短纤维压电复合材料由多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维拼接形成的短纤维压电复合单元，再由多个短纤维压电复合单元拼接形成压电纤维复合层，克服传统结构由于压电纤维长度较高而难以批量化制备的问题。此外，本发明提供的短纤维压电复合材料在封装前就完成极化，且极化过程对设备的要求低，短压电纤维在极化过程中极化完全且均匀不存在极化“死区”的问题。多根极化短压电纤维在拼接方向上的宽度呈梯度变化，能够增强对非平面结构的适应性。本发明还提供了横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，工艺简单易行，复合材料结构尺寸精确可控，容易实现压电纤维复合材料结构与性能系列化和批量化的制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的横向梯度短纤维压电复合材料的结构示意图；

图2为图1中横向梯度短纤维压电复合材料的结构示意图制备工艺过程图；

图3为图1中压电纤维复合层封装过程的示意图。

图标：1-极化短压电纤维；2-聚合物纤维；4-面电极；3-叉指电极；31-叉指电极的上电极；32-叉指电极的下电极；11-压电薄层；22-聚合物薄层；5-压电复合结构；6-压电复合单元；7-压电纤维复合层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明实施例提供的横向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法进行具体说明。

请参照图1和图3，本发明实施例提供的一种横向梯度短纤维压电复合材料，包括叉指电极3和位于叉指电极3的上下电极之间的压电纤维复合层7，压电纤维复合层7包括沿轴线方向依次相连的多个短纤维压电复合单元，每个短纤维压电复合单元均包括多根极化短压电纤维1和多根聚合物纤维2，多根极化短压电纤维1和多根聚合物纤维2交替拼接，每根聚合物纤维2的两侧分别与一个极化短压电纤维1相连，且相邻两个短纤维压电复合单元中的极化短压电纤维1的极化方向相反，多根极化短压电纤维1在拼接方向上的宽度呈梯度变化，多根聚合物纤维2在拼接方向上的宽度一致。

需要说明的是，本发明实施例提供的横向梯度短纤维压电复合材料，其由多根极化短压电纤维1和多根聚合物纤维2拼接形成的短纤维压电复合单元，再由多个短纤维压电复合单元拼接形成压电纤维复合层7，将压电纤维复合层7与叉指电极3封装后形成。由于其采用短压电纤维能够在封装前进行极化，且极化过程对设备的要求低，极化完全且均匀不存在极化“死区”的问题。将多根极化短压电纤维1在拼接方向上的宽度呈梯度变化这种结构可以提高复合材料的柔韧性，加强压电纤维复合材料对非平面结构的匹配特性，扩展了压电材料的应用。

需要补充的是，本发明中将复合材料设计为不同梯度能够适应不同的生产和使用要求。

此外，本发明实施例提供的短纤维压电复合材料的制备过程中，若某个短压电纤维复合单元出现问题可以直接替换，而不是废弃整个压电纤维复合层。短纤维压电复合材料极化完全且均匀可以促进压电纤维性能的有效发挥，并且在应用过程中为压电纤维提供均匀而全面的的驱动电场，克服了压电纤维、电极和聚合物纤维2之间存在的应力集中问题，提高压电纤维复合材料应用稳定性和服役周期。

需要补充的是，传统的压电复合材料由于压电纤维长度较高，一般为封装后进行极化且对设备的要求较高，极化过程中容易出现极化“死区”，在使用过程中若出现问题需要更换整个复合材料，制造成本和使用成本较高。

具体地，多根极化短压电纤维1在拼接方向上的宽度呈梯度变化的形式不限，可以为连续单调递增或递减、先递增后递减、先递减后递增或上述形式的组合。

具体地，图3中叉指电极3包括叉指电极的上电极31，叉指电极的下电极32，整个压电纤维复合层7包括若干粘结短纤维压电复合单元而形成的面电极4。叉指电极3采用柔性叉指电极，其基板可以弯曲能够适应各种使用环境的要求。

此外，本发明中所指的轴向为压电纤维复合层7上的压电纤维和聚合物纤维2的长度方向，本发明中的聚合物纤维2为一般的聚合物纤维。

具体地，聚合物纤维2的材质为环氧树脂、酚醛树脂或聚酯树脂，能够很好地粘结和保护压电纤维，提升材料的柔韧性。极化短压电纤维1的材质为压电陶瓷或压电单晶，可以为复合材料提供多样化的机电耦合特性。针对复合材料不同的性能要求可以选取不同材质的聚合物纤维和压电纤维。

进一步地，多个短纤维压电复合单元沿轴线方向依次粘结，粘结材料为导电胶。多个短纤维压电复合单元采用粘结的方式依次拼接，粘结材料采用导电胶，这是由于制作工艺过程中存在切割和粘结的过程。

具体地，导电胶为聚合物导电胶，聚合物导电胶的聚合物体系为环氧树脂或硅酮，聚合物导电胶的导电体系为Cu、Ag或Ni，这样可以在保证粘结性能的同时保持适中的导电性。

进一步地，极化短压电纤维1的轴向长度与叉指电极3中相邻指电极之间的距离相适应。将压电纤维复合层7与叉指电极3封装过程中需要保证叉指电极3中相邻指电极之间的距离与极化短压电纤维1的轴向长度相适应。

此外，在封装过程中还需要将导电胶与叉指电极3中的指电极的中心对齐。此处的导电胶为多个短纤维压电复合单元之间相互粘结的导电胶，将其与叉指电极3中的指电极的中心对齐使通过电极传输的电场更加均匀一致。

具体地，叉指电极3的基体材料为聚酰亚胺或聚酯薄膜，叉指电极3的电极材料为Cu、Ag或Au。叉指电极3的基体材料和电极材料可以为常规的叉指电极3的材质，在此不做过多赘述。

请参照图2和图3，本发明实施例还提供了一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将多个压电薄层11和多个聚合物薄层22交替叠加得到压电复合结构5，每个聚合物薄层22的两侧分别与一个压电薄层11相连，且多个压电薄层11的宽度呈梯度变化。

为便于后续的描述清楚，规定沿压电薄层11所在平面的长度方向为第一方向，沿压电薄层11所在平面的宽度方向为第二方向。

具体地，将多个压电薄层11和多个聚合物薄层22交替拼接，其中位于压电复合结构5顶部和底部的均为压电薄层11。压电薄层11和聚合物薄层22连接方式不限，可以采用切割-填充法或层叠-切割法制备压电复合结构5。

具体地，压电薄层11的厚度变化范围为0.2-3mm，相邻两个压电薄层11的厚度差值为0.02-1mm，聚合物薄层22的厚度为0.05-2mm。

S2、沿垂直于压电薄层11所在平面的方向进行一次切割，且沿第一方向将压电复合结构5分为多个压电复合单元6，再将多个压电复合单元6沿第一方向进行极化，然后将极化后的多个压电复合单元6依次粘结得到极化压电复合结构。

其中，在一次切割过程中相邻两个切割面的间距相等，粘结过程中的粘结面为一次切割过程的切割面，且相邻两个压电复合单元6的极化电场强度相同且极化方向相反。即按照原一次切割的切割面进行复位，注意保证相邻两个压电复合单元6的极化方向相反。

具体地，一次切割过程采用的机械设备、以及粘结过程采用的导电胶在此不做过多赘述，请参考本发明实施例材料部分的内容。

具体地，在一次切割过程中，相邻两个切割面的间距为0.2-5mm。相邻两个切割面的距离需要和叉指电极3的相邻两个指电极的距离相适应，需要控制相邻两个切割面的间距的工艺参数。

S3、将极化压电复合结构沿垂直于压电薄层11所在平面的方向进行二次切割，且沿第二方向将极化压电复合结构分为多个压电纤维复合层7。

经过二次切割的过程中就可以得到上述短纤维压电复合材料的内容介绍中的压电纤维复合层7，压电纤维复合层7中的多个压电复合单元的切痕是一次切割过程中形成。

具体地，压电纤维复合层7的厚度可根据切割刀距进行调节，为0.01-2mm。

S4、将压电纤维复合层7与叉指电极3进行封装。

需要将压电纤维复合层7和叉指电极3进行封装后再售卖或使用。封装过程是将压电纤维复合层7和叉指电极3的组装，过程中需要控制极化短压电纤维1的轴向长度与叉指电极3中相邻指电极之间的距离相适应，且将面电极4与叉指电极3中的指电极的中心对齐。

本发明实施例提供的横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其工艺简便易行，复合材料结构尺寸精确可控，容易实现压电纤维复合材料结构与性能系列化和批量化的生产。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，以PZT为压电相，环氧树脂为聚合物相，采用本发明方法制备横向梯度短纤维增强压电复合材料，具体过程如下：

1.以PZT陶瓷和环氧树脂为原材料，采用层叠-切割法制备如图2种所示的压电复合结构5，其中压电薄层11的数目为9，压电薄层11初始厚度为0.2mm，厚度递增量为0.05mm；聚合物薄层22数目为8，厚度为0.2mm；压电复合结构5的厚度为所有压电薄层11与聚合物薄层22厚度之和，为5.2mm；压电纤维复合结构5与压电薄层11及聚合物薄层22的长度和宽度一致，为50×30mm。

2.将步骤1所得压电复合结构5垂直压电薄层11沿宽度方向进行一次切割，获得尺寸一致的多个压电复合单元6，厚度为1mm，其他尺寸为30×5.2(长度×宽度)，厚度为两个切割面之间的距离，总数量合计11个。

3.将步骤2所得多个压电复合单元6切割面上涂覆一薄层环氧树脂银浆作为面电极4，在外加电场E为3kV/mm的条件下对2-2型压电复合单元沿厚度方向进行极化，获得均匀极化的压电复合单元6。

4.将步骤3所得11个极化后的压电复合单元6按照极化P的方向交替排列，以环氧树脂银浆为粘结剂将极化后的压电复合单元6模压成极化压电复合结构，并沿着极化方向对极化压电复合结构进行二次切割，获得压电纤维复合层7，尺寸为11×5.2×0.2mm(长度×宽度×厚度)，厚度为两个切割面之间的距离。

5.采用印刷电路板技术制备柔性叉值电极，柔性基板材料为聚酰亚胺、电极材料为金属铜，指电极中心间距为1mm，电极宽度0.1mm，电极厚度0.02mm，上下电极镜面对称。

6.将步骤4所得的压电纤维复合层7和步骤5所得的柔性叉值电极按照如图3所示结构，将柔性叉值电极3与压电纤维复合层7对齐并进行封装，获得横向梯度短纤维增强压电复合材料。复合材料中横向梯度方式：压电纤维初始宽度0.2mm，压电纤维宽度递增量0.05mm，复合材料横向宽度5.2mm。短压电纤维长度1mm。压电纤维复合层7最终尺寸：11×5.2×0.2mm(长度×宽度×厚度)。

本实施例提供一种横向梯度短纤维压电复合材料，由上述制备方法制备而得。

在其他实施例中，可以控制压电复合单元6、压电纤维复合层7、压电薄层11初始厚度及厚度递增量为其他尺寸。

综上所述，本发明提供的一种横向梯度短纤维压电复合材料，其由多根极化短压电纤维和多根聚合物纤维拼接形成的压电复合单元，再由多个压电复合单元拼接形成压电纤维复合层，将压电纤维复合层与叉指电极封装后形成。由于其采用短压电纤维能够在封装前进行极化，且极化过程对设备的要求低，极化完全且均匀不存在极化“死区”的问题。将多根极化短压电纤维1在拼接方向上的宽度呈梯度变化这种结构可以提高复合材料的柔韧性，加强压电纤维复合材料对非平面结构的匹配特性，扩展了压电材料的应用。

本发明还提供了一种横向梯度短纤维压电复合材料的制备方法，其工艺简便易行，复合材料结构尺寸精确可控，容易实现压电纤维复合材料结构与性能系列化和批量化的生产。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。