阅读说明：本技术 一种剪切型压电复合材料的制备方法及其驱动器的制备 (A kind of preparation method of shearing-type piezo-electricity composite material and its preparation of driver ) 是由 张斗 闫明洋 袁晰 周科朝 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：一种剪切型压电复合材料的制备方法及其驱动器的制备,包括以下步骤：将压电陶瓷块沿厚度方向极化；将极化后的压电陶瓷块沿其厚度方向作第一次切割成薄片；沿所述的薄片的厚度方向,垂直于极化方向作第二次切割,或是沿所述的薄片的厚度方向,平行于极化方向作第二次切割；第二次切割过程中薄片时并没有切透,其中一部分保留作为基体,形成带间隙压电陶瓷薄片；将聚合物填充到所述的压电陶瓷薄片的间隙中,经固化,减薄。将电极复合至(4)步所得到的压电陶瓷薄片上、下表面。将(4)步所得的材料沿厚度方向施加电场。制备简单,易于操作,性能好,且可以实现两种构型的d<Sub>15</Sub>型压电纤维复合材料的制备。(A kind of preparation method of shearing-type piezo-electricity composite material and its preparation of driver, comprising the following steps: piezoelectric ceramics block through-thickness polarizes；Piezoelectric ceramics block after polarization is made into cutting flakiness for the first time along its thickness direction；Along the thickness direction of the thin slice, make second perpendicular to polarization direction and cut, or along the thickness direction of the thin slice, is parallel to polarization direction and makees to cut for the second time；It is not cut through when thin slice in second of cutting process, a portion is retained as matrix, forms band gap piezoelectric ceramic thin sheet；It is cured by polymer-filled into the gap of the piezoelectric ceramic thin sheet, it is thinned.Electrode is compound to the obtained piezoelectric ceramic thin sheet upper and lower surfaces of (4) step.The resulting material through-thickness of (4) step is applied into electric field.Preparation is simple, and easily operated, performance is good, and the d of two kinds of configurations may be implemented 15 The preparation of type piezoelectric fibre composite material.)

一种剪切型压电复合材料的制备方法及其驱动器的制备

技术领域

本发明涉及压电复合材料制备领域，特别涉及一种剪切型压电复合材料的制备以及采用该压电复合材料制备驱动器的方法。

背景技术

大多数压电驱动器是在d₃₃或d₃₁模式下工作，很少有基于d₁₅模式的压电复合物用于驱动器。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。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1所示。对于大多数压电陶瓷，压电系数d₁₅的值高于d₃₃和d₃₁系数。Chen等人提出了一种基于BiScO₃-PbTiO₃陶瓷板在d₁₅模式下工作的环形剪切驱动器，它可以在驱动器的中心产生大的弯曲位移。Gao等人报道了一种在d₁₅剪切模式下工作的多层圆柱形压电剪切驱动器，可用于在较大机械载荷下进行精密驱动。然而，由于复杂的设计和制造工艺，关于利用压电纤维复合材料的压电剪切驱动器的报道很少。关于剪切压电纤维复合材料的许多研究都集中在数值计算和有限元分析，只有少数实验工作被报道。Kranz等人制造了一种纵向极化压电d₁₅剪切型压电纤维复合材料，并验证了驱动功能的可操作性。袁等人提出了厚度方向极化d₁₅剪切压电纤维复合材料，致动器的剪切应变达到176.5ppm。然而，剪切压电纤维复合材料的研究还不充分，新的针对d15型压电纤维复合材料的制备方法需要被提出。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种制备简单，易于操作，性能好，且可以实现两种构型的剪切型压电复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述剪切型压电复合材料制备方法制得的压电复合材料制备驱动器的方法。

本发明更进一步的目的在于将上述的两种构型的剪切型压电复合材料或其驱动器适应于在d₁₅剪切模式下工作。

本发明的目的是通过下述方案实现的：

一种剪切型压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将压电陶瓷块沿厚度方向极化；

(2)将极化后的压电陶瓷块沿其厚度方向作第一次切割成薄片；

(3)沿所述的薄片的厚度方向，垂直于极化方向作第二次切割，或是沿所述的薄片的厚度方向，平行于极化方向作第二次切割；第二次切割过程中薄片时并没有切透，其中一部分保留作为基体，形成带间隙压电陶瓷薄片；

(4)将聚合物填充到所述的压电陶瓷薄片的间隙中，经固化，减薄。

将电极复合至(4)步所得到的压电陶瓷薄片上、下表面。

将(4)步所得的材料沿厚度方向施加电场。

通过本发明方案可以成功制备得到两种类型的剪切型压电复合材料：第一种是沿纤维宽度方向极化的剪切型压电复合材料，极化方向是沿纤维的宽度，沿厚度方向施加电场；另一种是沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合材料，极化方向是沿着纤维的长度，电场沿厚度方向施加。具体结构如图2所示。另外，本发明人也系统地表征了两种剪切型压电复合材料的压电性能，证明了两种类型的剪切型压电复合材料表现出d₁₅剪切工作模式，并且通过实验工作评估了其驱动能力。

在本发明中，发明人提出了一种制备剪切型压电复合材料的新方法，在对压电陶瓷块材料进行整体的沿厚度方向极化处理情况下，再对压电陶瓷块进行二次特别要求的切割，将极化方向由厚度方向转变为长度方向，且通过第二次切割，实现沿纤维长度、宽度方向极化的两种构型的剪切型压电复合材料的制备。本方法的特别的创新之处在于极化方向的巧妙转化，得到的不是厚度方向极化的剪切型压电纤维复合物，而是纤维长度、宽度方向极化的两种构型的剪切型压电纤维复合物，从而实现了不同的构型。与现有技术中压电复合材料相比，本发明的方法更为简单，而且只是凭借着极化方向的巧妙转变，可以同时实现两种构型的剪切型压电纤维复合物的制备。且具有良好压电复合材料性能。

本发明的压电陶瓷块材料为锆钛酸铅压电陶瓷可以选用PZT-5A压电陶瓷,PZT-5H压电陶瓷,PZT2压电陶瓷,PZT4压电陶瓷,PZT8压电陶瓷,；优选PZT-5H压电陶瓷。

本发明所述的聚合物为环氧树脂；优选Araldite 2020环氧树脂。

本发明所述的压电陶瓷块可以为长方体或圆柱体。

本发明步骤(2)所述薄片优选是长方体。

本发明所述步骤(3)间隙的宽度范围为80～250μm为宜。

本发明极化时的介电强度为2kV/mm～3kV/mm；温度为110-130℃。极化15～25min。

.本发明驱动时所加最大电场不超过400V/mm。

本发明所述固化温度范围40℃～60℃。

本发明所述的固化过程是在真空下进行。

本发明所述的电极材料可以是金或银等其他导电材料。

本发明可以通过磁控溅射的方式或丝网印刷或电化学沉积将电极沉积在(4)步所得到的压电陶瓷薄片上、下表面；其中特别优选磁控溅射的方式。

由本发明制备方法所制得的剪切型压电复合材料直接或制作成实施所需的驱动器。

所述的剪切型压电复合材料或其驱动器是在d₁₅剪切模式下工作。

本发明剪切型压电复合材料的制备方法的优势在于制备简单，易于操作，制得的压电复合材料性能好，还可以实现两种构型的剪切型压电复合材料的制备。通过安捷伦精密阻抗分析仪测量电阻抗和相位角，结果如图4所示。对于沿纤维宽度方向极化的剪切压电纤维复合材料，其谐振频率为3.77MHz，对于沿纤维长度方向极化的剪切压电纤维复合材料，谐振频率为2.85MHz。在谐振频率处两种类型的剪切压电纤维复合材料的相位角的差值能够达到150度，证明两种类型的剪切压电纤维复合材料具有良好的动态响应。给剪切型复合纤维材料施加电压测量剪切变形，对于剪切压电纤维复合材料，如果施加的电场过高，原始的极化状态将被改变，因此剪切压电纤维复合材料的工作模式也会改变。因此，施加的最大电场为-250-+250V/mm。图6显示了在-250-+250V/mm，频率为0.1Hz的电场下测量的沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的变形量，测量的剪切位移能够达到82nm。图7显示了在-250-+250V/mm，频率为0.1Hz的电场下测量的沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的变形量，测量的剪切位移能够达到91nm。为了表征剪切压电纤维复合材料的驱动性能，我们制备了三明治悬臂梁结构来测试其顶端位移。如图9和图10所示，对于沿纤维宽度方向和长度方向极化的剪切型压电复合材料来说，在-250-+250V/mm，频率为0.1Hz的电场下测量得到的顶端位移分别为0.33mm和0.28mm。

附图说明

图1为压电陶瓷的剪切压电效应示意图。

图2为一种沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合材料构型制备方法图。

图3为另一种沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合材料构型制备方法图。

图4两种剪切型压电纤维复合材料的阻抗频谱图

图5剪切变形量测试示意图

图6沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的变形量

图7沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的变形量

图8顶端位移测试示意图。

图9沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的顶端位移。

图10沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合材料的顶端位移。

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例1

沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合物

首先，将沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT)陶瓷块去除电极，沿着极化方向将压电陶瓷样品切成矩形薄片。然后将PZT薄片切割成矩形纤维，切割方向垂直于极化方向。切割时压电陶瓷并没有切透，其中一部分保留作为基体。将环氧树脂填充到矩形纤维之间的间隙中，并在50℃下固化12小时。然后，将压电复合材料减薄至300μm的厚度。最后，通过磁控溅射将金电极沉积在复合物的上表面和下表面，具体制备过程参照图2。所得到的沿纤维宽度方向极化的剪切型压电纤维复合物的尺寸为14*12*0.3mm。

然后对这种类型的剪切型压电纤维复合物的电学性能、剪切应变和驱动性能进行了表征。剪切型压电纤维复合物的阻抗频谱图如图4所示，看可以看出此种类型的剪切型压电纤维复合物的谐振频率3.77MHz，在此谐振频率下得到的相位角的差值为150度，证明其具有良好的动态响应。计算得到的机电耦合系数为0.62，证明其具有良好的机电耦合性能。

对此种剪切型压电纤维复合材料的剪切位移进行测试，获得剪切位移与施加电场的关系，测试过程如图5所示。在复合物上表面粘贴一个聚四氟乙烯块，使得其宽度方向与复合物中的纤维方向平行，并且在侧面粘贴一块薄的铜箔，将高精度激光位移传感器的探针对准四氟乙烯块的侧面，通过检测该四氟乙烯块的位移变化，来表征剪切型压电纤维复合物上表面的剪切位移。高压放大器输出正弦波交变电压来驱动剪切型压电纤维复合物，使之产生剪切形变，其上表面的形变量则被MTI-2000激光位移传感器所采集。复合材料在电压频率为0.1Hz、电场强度为250V/mm时的交流电压测试条件下的测试结果如图6所示，测量的剪切位移能够达到82nm。在测试剪切型压电纤维复合物对悬臂梁的驱动性能时，将其做成夹心悬臂梁结构，复合物粘贴于上下两块面积相等的Mylar膜之间，再将悬臂梁的一端固定。在剪切型压电纤维复合物的驱动下，悬臂梁能够产生顶端位移，该位移值由激光位移传感器进行测量，通过NI数据采集卡对信号进行采集，对位移信号与电压信号进行匹配，具体测试过程如图8所示。从而得到剪切型压电纤维复合物对悬臂梁的驱动性能，得到电压-顶端位移图，如图9所示。电压频率分别为0.1Hz、1Hz和10Hz时的测量结果如图9所示。随驱动电压频率的下降，剪切型压电纤维复合材料的顶端位移增大，其中0.1Hz、电场强度为250V/mm的交流电压下的测试得到的顶端位移为0.28mm,要远大于其他频率下的测试结果。

实施例2

沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合物

首先，将沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT)陶瓷块去除电极，沿着极化方向将压电陶瓷样品切成矩形薄片。然后将PZT薄片切割成矩形纤维，切割方向垂直于极化方向。此外，切割时压电陶瓷并没有切透，其中一部分保留作为基体。将环氧树脂填充到矩形纤维之间的间隙中，并在50℃下固化12小时。然后，将压电复合材料减薄至300μm的厚度。最后，通过磁控溅射将金电极沉积在复合物的上表面和下表面。具体制备过程参照图3。所得到的沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合物的尺寸为14*12*0.3mm。

然后对这种类型的剪切型压电纤维复合物的电学性能、剪切应变和驱动性能进行了表征。剪切型压电纤维复合物的阻抗频谱图如图4所示，看可以看出此种类型的剪切型压电纤维复合物的谐振频率2.85MHz，在此谐振频率下得到的相位角的差值为152度，证明其具有良好的动态响应。计算得到的机电耦合系数为0.73，证明其具有良好的机电耦合性能。

对此种剪切型压电纤维复合材料的剪切位移进行测试，获得剪切位移与施加电场的关系，测试过程如图5所示，测试方法与实例1相同。复合材料在电压频率为0.1Hz、电场强度为250V/mm时的交流电压测试条件下的测试结果如图7所示，测量的剪切位移能够达到91nm。在测试沿纤维长度方向极化的剪切型压电纤维复合物对悬臂梁的驱动性能时，采用的方法和实例1相同，具体测试过程如图8所示。从而得到剪切型压电纤维复合物对悬臂梁的驱动性能，得到电压-顶端位移图，如图10所示。电压频率分别为0.1Hz、1Hz和10Hz时的测量结果如图9所示。随驱动电压频率的下降，剪切型压电纤维复合材料的顶端位移增大，其中0.1Hz、电场强度为250V/mm的交流电压下的测试得到的顶端位移为0.33mm,要远大于其他频率下的测试结果。