含單晶壓電纖維的復(fù)合體及包含該復(fù)合體的磁電復(fù)合材料層合體的制作方法
【專利說(shuō)明】含單晶壓電纖維的復(fù)合體及包含該復(fù)合體的磁電復(fù)合材料 層合體 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含壓電纖維的復(fù)合體及其制造方法、包含所述含壓電纖維的復(fù)合 體的磁電復(fù)合材料層合體及其制造方法以及包含所述含壓電纖維的復(fù)合體或磁電復(fù)合材 料層合體而構(gòu)成的壓電元件，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種含有朝特定方向取向的單晶壓 電纖維的復(fù)合體及其制造方法、含有所述復(fù)合體的磁電復(fù)合材料層合體及其制造方法及包 含所述含壓電纖維的復(fù)合體或磁電復(fù)合材料層合體而構(gòu)成的壓電元件。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 壓電材料（piezoelecric materials)憑借著能將外部應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者將 電輸入轉(zhuǎn)換成機(jī)械輸出的壓電效果廣泛地應(yīng)用于傳感器、促動(dòng)器（Actuator)、能量收集裝 置（energy harvest ing device)、超聲波儀器等。
[0003] 但是，大部分的壓電材料是陶瓷材料，由于陶瓷本身特性具備脆性（britt leness)，從而在適用為各種形狀及使用上受到了限制。
[0004] 為此，研宄了具備如下結(jié)構(gòu)的復(fù)合體：在高分子材料等的柔軟性基質(zhì)上包含了 由壓電陶瓷構(gòu)成的纖維（fiber)，作為所述復(fù)合體的典型例，可舉例宏纖維復(fù)合體（Macro Fiber Compos ite，MFC)[專利文獻(xiàn)0001]。還揭示有利用所述MFC形成的促動(dòng)器[專利文 獻(xiàn)0002]。
[0005] 然而，諸如所述MFC之類的壓電纖維復(fù)合體因?yàn)樵陔姌O與壓電纖維之間存在著高 分子基質(zhì)，所以難以對(duì)裝置的控制及操作進(jìn)行預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)，更大的問(wèn)題是，在驅(qū)動(dòng)包含所述 復(fù)合體的元件時(shí)需要較高的操作電壓。
[0006] 此外，因?yàn)橹T如所述MFC之類的壓電纖維復(fù)合體使用陶瓷壓電纖維材料，所以無(wú) 法最大限度地發(fā)揮出隨著壓電材料的結(jié)晶取向性而變化的壓電特性。
[0007] 因此，迫切需要開發(fā)出一種既能夠保持壓電纖維復(fù)合體的已知優(yōu)點(diǎn)，又能夠解決 所述問(wèn)題，從而能夠應(yīng)用到傳感器或促動(dòng)器，以及能量收集裝置的制造用途的復(fù)合材料。
[0008] 【先前技術(shù)文獻(xiàn)】
[0009] 【專利文獻(xiàn)】
[0010] (專利文獻(xiàn)0001)國(guó)際公開公報(bào)W0 01/33648 A1
[0011] (專利文獻(xiàn)0002)韓國(guó)公開專利公報(bào)第10-2010-0033824號(hào)
[0012] 【解決的技術(shù)課題】
[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種含壓電纖維的復(fù)合體及其制造方法，該復(fù)合體所包含的 壓電纖維為了大幅提高壓電效果而由使得特定結(jié)晶方向朝極化方向取向的單晶所構(gòu)成。本 發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種磁電復(fù)合材料層合體及其制造方法，其包含所述含壓電纖維 的復(fù)合體，為了通過(guò)和所述復(fù)合體的相互作用達(dá)到遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有技術(shù)的磁電效應(yīng)而接合于所 述含壓電纖維的復(fù)合體的一面或兩面，并且包含由磁致伸縮材料構(gòu)成的磁致伸縮層。
[0014] 【解決課題的技術(shù)方案】
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)所述技術(shù)課題，本發(fā)明提供一種含壓電纖維的復(fù)合體，其包括：第一保護(hù) 層，其一面形成有第一電極；第二保護(hù)層，其一面形成有第二電極；以及壓電纖維層，其插 入于所述第一電極及第二電極之間，由以復(fù)合體的長(zhǎng)度方向排列的一個(gè)以上的壓電纖維構(gòu) 成，所述壓電纖維由單晶壓電材料構(gòu)成，所述單晶的〈011 >方向和復(fù)合體的厚度方向一致， 從而使得所述單晶的〈〇〇1>方向和復(fù)合體的長(zhǎng)度方向一致。
[0016] 此外，本發(fā)明提供一種含壓電纖維的復(fù)合體的制造方法，其包括如下步驟：步驟 (a)，在一面形成有第一電極的第一保護(hù)層的所述第一電極上接合壓電單晶層，所述壓電 單晶層由單晶壓電材料構(gòu)成，所述單晶的〈〇11>方向和厚度方向一致，從而使得所述單晶 的〈001>方向和復(fù)合體的長(zhǎng)度方向一致；步驟（b)，沿著長(zhǎng)度方向切斷所述壓電單晶層，形 成由一個(gè)以上的壓電纖維構(gòu)成的壓電纖維層；以及步驟（c)，將第二保護(hù)層接合于壓電纖 維層上，以便使得一面形成有第二電極的第二保護(hù)層的所述第二電極與所述壓電纖維層相 接。
[0017] 此外，本發(fā)明提供一種磁電復(fù)合材料層合體，其包括：含壓電（piezoelectric) 纖維的復(fù)合體；以及磁致伸縮層，其配備在所述復(fù)合體的一面或兩面并且由磁致伸縮 (magnetostrict ive)材料構(gòu)成，所述壓電纖維由單晶壓電材料構(gòu)成，并且所述單晶的 〈〇 11 >方向和所述復(fù)合體的厚度方向一致，從而使得所述單晶的〈〇〇 1 >方向和復(fù)合體的長(zhǎng) 度方向一致。
[0018] 而且，本發(fā)明提供一種磁電復(fù)合材料層合體的制造方法，其包括如下步驟：步驟 (a)，準(zhǔn)備由磁致伸縮材料構(gòu)成的磁致伸縮層；步驟（b)，準(zhǔn)備含壓電纖維的復(fù)合體，所述含 壓電纖維的復(fù)合體包含由單晶壓電材料構(gòu)成并且所述單晶的〈〇11>方向和復(fù)合體的厚度 方向一致的壓電纖維，從而使得所述單晶的〈〇〇1>方向和復(fù)合體的長(zhǎng)度方向一致；以及步 驟（C)，在所述含壓電纖維的復(fù)合體的一面或兩面對(duì)所述磁致伸縮層進(jìn)行層合（Laminat ing) 〇
[0019] 而且，本發(fā)明提供一種壓電元件，所述壓電元件包含所述含壓電纖維的復(fù)合體或 所述磁電復(fù)合材料層合體。
[0020] 【有益效果】
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的含壓電纖維的復(fù)合體包含由單晶壓電材料構(gòu)成并且以所述單晶的 〈〇11>方向與所述復(fù)合體的厚度方向一致從而使得所述單晶的〈〇〇1>方向和復(fù)合體的長(zhǎng)度 方向一致的方式進(jìn)行排列的壓電纖維，因此能夠利用基于壓電單晶的特定取向方向的優(yōu)異 壓電應(yīng)變特性及檢測(cè)特性，尤其是，在以極化方向與應(yīng)變方向互相垂直的32模式運(yùn)行時(shí)， 能夠?qū)崿F(xiàn)更加優(yōu)異的壓電特性，不僅應(yīng)用于傳感器及促動(dòng)器等用途，而且由于機(jī)械穩(wěn)定性 良好，從而能夠作為機(jī)械振動(dòng)能量的能量收集裝置使用。
[0022] 而且，根據(jù)本發(fā)明的磁電復(fù)合材料層合體在具備如上所述特性的含壓電纖維的復(fù) 合體的一面或兩面配備了由類似于鎳（Ni)或Metglas(FeBSi alloy)等的磁致伸縮材料構(gòu) 成的磁致伸縮層，從而作為磁電復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有所知的磁電復(fù)合材料的磁電特 性，尤其是能夠在作用于機(jī)械振動(dòng)及/或磁場(chǎng)變化等外部刺激的能量收集裝置發(fā)中揮出優(yōu) 越的性能。
[0023] 尤其是，本發(fā)明磁電復(fù)合材料層合體作為電力線監(jiān)視傳感器驅(qū)動(dòng)電源用能量收集 裝置使用時(shí)，憑借著從寄生在電力線周邊的磁場(chǎng)及/或電力線周邊的機(jī)械振動(dòng)能量生成電 力的能量收集（energy harvesting)為傳感器供應(yīng)電力而不必定期更換電源就能穩(wěn)定地 連續(xù)供應(yīng)電力，不僅能夠半永久性地運(yùn)行傳感器節(jié)點(diǎn)，還能延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期并 提高傳感數(shù)據(jù)的可靠性，從而能夠提前實(shí)現(xiàn)電力線遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等基于USN的系統(tǒng)的實(shí)用 化。 【【附圖說(shuō)明】】
[0024] 圖1是示出本發(fā)明含壓電纖維的復(fù)合體的一例的模式圖（mimetic diagram)。
[0025] 圖2是示出形成于本發(fā)明含壓電纖維的復(fù)合體的電極的形狀的一例的模式圖。
[0026] 圖3(a)及圖3(b)是分別示出本發(fā)明磁電復(fù)合材料層合體的一例及另一例的模式 圖。
[0027] 圖4是示出本發(fā)明磁電復(fù)合材料層合體的又另一例的模式圖。
[0028] 圖5是示出本發(fā)明磁電復(fù)合材料層合體的磁場(chǎng)生成環(huán)境的模式圖，該磁場(chǎng)則是供 應(yīng)給傳感器的電力的源頭。
[0029] 圖6是示出本發(fā)明的包含電力線監(jiān)視傳感器驅(qū)動(dòng)電源用能量收集磁電復(fù)合材料 層合體地構(gòu)成的傳感器節(jié)點(diǎn)的一實(shí)施例的組成部分的方塊圖。
[0030] 圖7是示出本發(fā)明電力線遠(yuǎn)程監(jiān)視用傳感器節(jié)點(diǎn)所含電源供應(yīng)單元的一例的組 成部分的方塊圖。
[0031] 圖8是示出本發(fā)明的包含電力線遠(yuǎn)程監(jiān)視用傳感器節(jié)點(diǎn)的電力線遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng) 的一實(shí)施例的組成部分的方塊圖。
[0032] 圖9是以實(shí)施例1所制造的壓電纖維復(fù)合體（SFC)及常用宏纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)體 (MFC)為對(duì)象針對(duì)施加電場(chǎng)而引起的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。
[0033] 圖10是為了測(cè)量本申請(qǐng)專利的實(shí)施例1_4、7、8及比較例1-3所制造的磁電復(fù)合 材料層合體的磁電效應(yīng)（magnetoelectric effect)特性而使用的設(shè)備的模式圖。
[0034] 圖11是示出測(cè)量本申請(qǐng)專利的實(shí)施例1-4及比較例1-3所制造的磁電復(fù)合材料 層合體的磁電效應(yīng)（magnetoelectric effect)特性時(shí)的試片與磁場(chǎng)方向的相對(duì)位置關(guān)系 的模式圖。
[0035] 圖12是針對(duì)實(shí)施例1-2及比較例1所制造的磁電復(fù)合材料層合體測(cè)量由直流磁 場(chǎng)（H d。）大小變化所導(dǎo)致的磁電電壓系數(shù)（aj的變化的測(cè)量結(jié)果。
[0036] 圖13是針對(duì)實(shí)施例3-4及比較例2所制造的磁電復(fù)合材料層合體測(cè)量由直流磁 場(chǎng)（H d。）強(qiáng)度變化所導(dǎo)致的磁電電壓系數(shù)（aj的變化的測(cè)量結(jié)果。
[0037] 圖14是針對(duì)實(shí)施例1、實(shí)施例3及比較例3所制造的磁電復(fù)合材料層合體測(cè)量由 直流磁場(chǎng)（H d。）強(qiáng)度變化所導(dǎo)致的磁電電壓系數(shù)（aj的變化的測(cè)量結(jié)果。
[0038] 圖15是針對(duì)本申請(qǐng)專利的實(shí)施例1、2、7、8及比較例1所制造的磁電復(fù)合材料層 合體測(cè)量交流磁場(chǎng)（HJ強(qiáng)度變化所導(dǎo)致的磁電電壓系數(shù)（a _)的變化的測(cè)量結(jié)果。
[0039] 圖16是為了測(cè)量本申請(qǐng)專利的實(shí)施例5-6及比較例4所制造的磁電復(fù)合材料層 合體的能量收集特性而使用的設(shè)備的模式圖。
[0040] 圖17是針對(duì)本申請(qǐng)專利的實(shí)施例5-6及比較例4所制造的磁電復(fù)合材料層合體 施加機(jī)械振動(dòng)或磁性變化時(shí)基于頻率變化的生成電壓測(cè)量結(jié)果。
[0041] 圖18(a)到圖18(c)是各自針對(duì)本申請(qǐng)專利的實(shí)施例5、實(shí)施例6及比較例4所制 造的磁電復(fù)合材料層合體施加機(jī)械振動(dòng)及/或磁性變化時(shí)在呈現(xiàn)最大輸出電壓的頻率下 測(cè)量的開路電壓（V。。）的測(cè)量結(jié)