一種撓曲電壓電復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功能材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種撓曲電壓電復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料，是一種在承受壓力時(shí)能產(chǎn)生極化響應(yīng)(正壓電效應(yīng))或在電場(chǎng)下產(chǎn)生應(yīng)變響應(yīng)(逆壓電效應(yīng))的功能材料，通常存在于無(wú)對(duì)稱中心的晶體結(jié)構(gòu)中。壓電材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換?；谶@一特點(diǎn)，壓電材料可以應(yīng)用于制備傳感器、驅(qū)動(dòng)器、換能器和能量回收等器件。目前應(yīng)用比較廣泛的壓電材料是含鉛壓電陶瓷材料，比如鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料。這類含鉛壓電陶瓷材料有著良好的壓電性能，但是，由于這類壓電材料中通常存在一個(gè)相變溫度(居里溫度)，當(dāng)使用溫度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生相變產(chǎn)生中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，失去壓電性。一般的鉛基壓電陶瓷材料的居里溫度低于400°C以下，限制了壓電材料在高溫下的使用。
[0003]近年來(lái)，人們圍繞著如何提高壓電材料的性能做了在大量的研究。隨著對(duì)材料機(jī)電性能的研究，撓曲電效應(yīng)引起人們的關(guān)注。撓曲電效應(yīng)不同于壓電效應(yīng)，前者可以存在于所有的介電材料中，沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)上的限制。撓曲電效應(yīng)的定義為材料在存在應(yīng)變梯度下的極化響應(yīng)(正撓曲電效應(yīng))，或者在存在電場(chǎng)梯度情況下的應(yīng)力響應(yīng)(逆撓曲電效應(yīng))。利用撓曲電效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)一種撓曲電壓電材料，即設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，可以使施加在這種結(jié)構(gòu)上的外力或外電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的應(yīng)變或電場(chǎng)梯度，進(jìn)而通過(guò)撓曲電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電極化響應(yīng)或應(yīng)變響應(yīng)，從而材料表現(xiàn)出表觀壓電效應(yīng)。這種撓曲電壓電材料有兩個(gè)傳統(tǒng)壓電材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，第一，撓曲電壓電材料的選材廣泛，不受材料的對(duì)稱性限制；第二，撓曲電壓電材料由于沒(méi)有受相變溫度的限制而具有更加廣泛的使用溫度。
[0004]設(shè)計(jì)撓曲電壓電復(fù)合材料有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是能夠?qū)⑺┘拥牧蛘唠娦盘?hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)變或電場(chǎng)梯度，產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)，并且要盡可能產(chǎn)生大的梯度；二是產(chǎn)生的撓曲電響應(yīng)能夠高效率的轉(zhuǎn)化為表觀壓電響應(yīng)。目前在實(shí)驗(yàn)中已證明可行的有兩種撓曲電壓電材料，第一種是類金字塔型結(jié)構(gòu)的撓曲電壓電復(fù)合材料，它很好的將外力轉(zhuǎn)化為了相應(yīng)的應(yīng)變梯度，產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)，從而表現(xiàn)出表觀壓電響應(yīng)，但是，這種復(fù)合材料產(chǎn)生的表觀壓電響應(yīng)較小。第二種彎曲型撓曲電壓電復(fù)合材料能夠產(chǎn)生很大的應(yīng)變梯度，并且也有很好的撓曲電壓電轉(zhuǎn)換效率，但是，彎曲型撓曲電壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備工藝繁瑣。因此這兩種材料在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種撓曲電壓電復(fù)合材料，本申請(qǐng)?zhí)峁┑膿锨妷弘姀?fù)合材料能夠產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)。
[0006]有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N撓曲電壓電復(fù)合材料，包括依次疊加設(shè)置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側(cè)的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側(cè)的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。
[0007]優(yōu)選的，所述壓頭與介電材料的接觸面積小于介電材料與壓頭接觸側(cè)介電材料表面的面積。
[0008]優(yōu)選的，所述支撐板與介電材料的接觸面積大于所述壓頭與介電材料的接觸面積。
[0009]優(yōu)選的，所述介電材料的厚度為大于Ocm且小于10cm。
[0010]優(yōu)選的，所述介電材料為I片，所述支撐板為I片，所述壓頭為I個(gè)或多個(gè)。
[0011]優(yōu)選的，所述壓頭的形狀為尖狀、圓球狀或平壓頭狀。
[0012]優(yōu)選的，所述介電材料為介電系數(shù)大于2的介電材料。
[0013]優(yōu)選的，所述介電材料為含鉍的鐵電材料、含鉛的鐵電材料、鈦酸鋇基鐵電材料、鈦酸鍶基鐵電材料、(Na, K, Li)他03基鐵電材料或具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電材料。
[0014]優(yōu)選的，電解材料為濺射金電極、濺射鉑電極，燒銀電極、濺射銀電極、鋁電極或鈀電極。
[0015]優(yōu)選的，所述支撐板的材料為氧化鋁、硬質(zhì)合金或天然硬質(zhì)材料。
[0016]本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N撓曲電壓電復(fù)合材料，其包括依次疊加設(shè)置的包括依次疊加設(shè)置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側(cè)的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側(cè)的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。本申請(qǐng)的撓曲電壓電復(fù)合材料通過(guò)對(duì)壓頭施加壓力，由于介電材料兩面受力不對(duì)稱且由于介電材料表面的電極材料，使介電材料中在受力點(diǎn)附近出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)變梯度，產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)，進(jìn)而表現(xiàn)出表觀的壓電效應(yīng)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明撓曲電壓電復(fù)合材料的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0019]—種撓曲電壓電復(fù)合材料，包括依次疊加設(shè)置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側(cè)的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側(cè)的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。
[0020]本申請(qǐng)?zhí)峁┝松鲜鼋Y(jié)構(gòu)的撓曲電壓電復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)一片兩面有電極材料的介電材料的兩面施加外力，由于兩面的受力面積不同，因此外力是不對(duì)稱的，使材料產(chǎn)生不同的應(yīng)變，從而在材料內(nèi)部形成應(yīng)變梯度，而產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)，進(jìn)而表現(xiàn)出表觀的壓電效應(yīng)。
[0021]如圖1所示，圖1為本申請(qǐng)?zhí)峁┑膿锨妷弘姀?fù)合材料的截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為壓頭，2為介電材料，3為支撐板。
[0022]本申請(qǐng)所述壓頭的形狀可以為尖狀、圓球狀或平壓頭狀，本申請(qǐng)對(duì)所述壓頭的形狀沒(méi)有特別的限制。本申請(qǐng)對(duì)壓頭的材料同樣沒(méi)有限制。
[0023]本申請(qǐng)所述介電材料優(yōu)選為介電系數(shù)大于2的介電材料，一般而言，表征材料撓曲電性能的參數(shù)撓曲電系數(shù)與材料的介電性能相關(guān)，介電性能小于2的介電材料的撓曲電系數(shù)很小，更優(yōu)選選自含鉍的鐵電材料、含鉛的鐵電材料、鈦酸鋇基鐵電材料、鈦酸鍶基鐵電材料、(Na, K，Li)他03基鐵電材料和具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電材料中的一種或多種；具有高介電性能的鐵電材料具有比一般介電材料更高的撓曲電效應(yīng)，因而在上述的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選采用鐵電材料產(chǎn)生的撓曲電效應(yīng)可以產(chǎn)生更高的表觀壓電性能；在一些實(shí)施例中，所述介電材料優(yōu)選選自含秘的鐵電材料、含鉛的鐵電材料和欽酸鎖基鐵電材料中的一種或兩種。本申請(qǐng)所述介電材料按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式制備得到或直接購(gòu)買得到。本申請(qǐng)所述介電材料為片狀的介電材料，為了使撓曲電壓電復(fù)合材料產(chǎn)生的表觀壓電響應(yīng)比較大，所述介電材料的厚度優(yōu)選大于Ocm小于10cm，更優(yōu)選為Ocm?4cm。本申請(qǐng)對(duì)所述介電材料的形狀沒(méi)有特別的限制，可以為圓形、方形或不規(guī)則形狀。
[0024]本申請(qǐng)所述介電材料與壓頭接觸面的表面與介電材料與支撐板接觸的表面均涂覆有電極材料，所述電極材料的存在才能使施加的力轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，產(chǎn)生撓曲電效應(yīng)。本申請(qǐng)所述電極材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的電極材料，作為優(yōu)選方案，所述電極材料優(yōu)選為濺射金電極、濺射鉑電極、燒銀電極、濺射銀電極、鋁電極或鈀電極。
[0025]本申請(qǐng)所述支撐板亦可稱為基底，本申請(qǐng)對(duì)所述基