一種剪切型壓電復合結構的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種剪切型壓電復合結構。
【背景技術】
[0002]在過去的十多年中，各種具有結構健康自診斷、環境自適應、自監控等功能的自適應結構成為研宄熱點，這類集主結構、傳感器及驅動器于一體的復合結構被廣泛應用于結構檢測、能量收集和振動控制等領域。而壓電陶瓷，憑借其能量密度高、機電響應轉換快、驅動力大等特點成為自適應結構中應用范圍最廣的驅動器材料。
[0003]壓電陶瓷在外加電場作用下產生變形，是一種能夠實現電能與機械能轉化的功能材料。壓電陶瓷的變形方向與外加電場的方向有著密切的關系:當外加電場方向與其極化方向平行時，則壓電陶瓷會產生沿著極化方向((133壓電效應)和垂直于極化方向(d31壓電效應)的變形，這是利用了壓電陶瓷的軸向壓電效應；當外加電場方向與其極化方向垂直時，則壓電陶瓷會產生一個純剪切((115壓電效應)變形，這是利用了壓電陶瓷的剪切壓電效應。
[0004]目前廣泛使用的壓電器件大多是基于壓電陶瓷的d33壓電效應和d31壓電效應設計的。在振動抑制或自適應控制領域中，通常將這類壓電器件直接粘貼于主體結構表面，通過壓電陶瓷的拉伸變形來對主結構進行控制。這種表面粘貼的驅動方式使得壓電器件在受到外部載荷的沖擊作用時很容易發生斷裂和剝落。而且，當結構發生較大的彎曲變形時，由于結構表面承受的應力最大，因此粘貼在結構表面的壓電器件也將承受較高的彎曲應力，極易導致壓電陶瓷斷裂，使得壓電器件在結構發生大變形時失效。長期處于應力狀態的工作環境也會導致壓電陶瓷因應力疲勞而失效，從而降低壓電器件的壽命。
[0005]針對以上情況，美國普渡大學航空航天學院的Sun和Zhang提出了一種利用壓電陶瓷剪切效應實現的自適應智能結構。該結構將壓電陶瓷薄片置于兩塊主體結構面板的中間，施加于壓電陶瓷的驅動電場方向與其極化方向垂直，在電場作用下壓電陶瓷發生純剪切變形從而控制主體結構的變形。在剪切工作模式下，一方面，壓電器件處于結構中性層位置，即使主體結構發生較大的變形，壓電器件所承受的應力水平仍然很低，因此該剪切模式的壓電器件具有使用壽命長、不易剝落等優點。另一方面，一般壓電陶瓷的剪切壓電常數Cl15在數值上比d31和d33都大得多，相同驅動電場條件下，剪切型壓電器件產生的應力應變更大。Sun和Benjeddou等人的后續研宄表明，相比于利用軸向壓電效應的器件，利用剪切型壓電器件的主體結構振動抑制能力更好，其整體機電耦合系數是前者的3倍多，附加阻尼是前者的12倍多，減幅程度是前者的2倍多。因此，剪切型壓電器件在振動控制、能量收集等領域中的應用前景越來越引起研宄人員的廣泛關注。
[0006]盡管剪切型壓電器件在自適應結構中展現出應用前景，但壓電陶瓷材料的脆性仍然限制了其應用范圍，特別是在曲面和薄膜結構控制領域。為了解決這一問題，Kranz依托德國Smart Material公司制備了一種剪切型壓電復合結構，由壓電陶瓷纖維、樹脂、銅電極以及上下兩面柔性絕緣聚酰亞胺薄膜復合而成，如圖1所示。該復合結構中，壓電纖維的極化方向為長度方向，通過銅電極施加沿厚度方向的工作電壓，利用了壓電材料的剪切壓電效應。并且包覆壓電纖維的聚合物基體可為復合物提供結構整體性，能夠通過應力傳遞機制大幅度提高壓電纖維的抗損傷能力，很好地克服了壓電陶瓷的脆性問題。所以該材料是一種厚度薄、重量輕，可進行大幅度彎曲和扭轉的剪切型壓電復合結構。但結構需要施加較高的極化電壓；使用較高的極化電壓一方面對極化設備提出了更高的要求，另一方面還會帶來一定隱患，危害人員安全。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的是針對現有剪切型壓電材料的結構及性能方面的優點及不足，提出了一種新的結構緊湊，極化電壓低的能夠貼合曲面結構并實現一定程度柔性變形的剪切型壓電復合結構。
[0008]本實用新型的技術方案是:
[0009]本實用新型的剪切型壓電材料的結構為最外兩層為柔性絕緣薄膜，中間層為壓電相/環氧樹脂復合層，中間層與柔性絕緣薄膜之間為叉指狀電極；所述叉指狀電極的正極指部和負極指部交替等距排列，且上、下兩個叉指狀電極呈鏡面對稱，并對齊；所述的叉指狀電極的指部與壓電相/環氧樹脂復合層的壓電相平行，電極指部位于壓電相與環氧樹脂結合面邊緣的上下兩面；壓電相極化方向為垂直于復合層平面的方向。
[0010]本實用新型所提出的壓電復合結構從上至下分別為聚酰亞胺膜，叉指狀電極，壓電相/環氧樹脂復合層，叉指狀電極，聚酰亞胺膜。優選的，壓電相為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)，壓電相/環氧樹脂復合層是一個片式的整體結構。
[0011]本實用新型的壓電相/環氧樹脂復合層是由在平面內平行排列的纖維狀壓電相和相鄰纖維之間的環氧樹脂相間而成。所述復合層的壓電相截面為矩形。所述復合層的壓電相的寬度與兩個壓電相的間距相等。
[0012]本實用新型優選，電極材料為銅。
[0013]本實用新型優選壓電相/環氧樹脂復合層中壓電纖維的寬度和纖維間距均與叉指狀電極的指間距相等，且所有電極指部位于壓電相與環氧樹脂結合面邊緣的上下兩面，如圖2所示。復合物垂直于纖維方向的截面圖如圖3所示。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，每個壓電相寬度大于兩個壓電相的間距，從而提高了復合結構中壓電相的體積分數，增強了復合結構的壓電性能。叉指狀電極正極指部和負極指部交替不等距排列，但所有電極指部仍位于壓電相與環氧樹脂結合面邊緣的上下兩面。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，壓電相寬度小于兩個壓電相的間距，從而提高了復合材料結構中環氧樹脂的體積分數，增強了復合材料結構的柔性。相應的叉指狀電極正極指部和負極指部交替不等距排列，但所有電極指部仍位于壓電相與環氧樹脂結合面邊緣的上下兩面。
[0016]作為本實用新型的進一步改進，壓電相可以為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMN-PT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、鈮酸鉀鈉(KNN)或者其他壓電材料，則最終制得的壓電復合材料結構具有更好的壓電性，或者更好的柔性，或者更好的環境友好性。
[0017]作為本實用新型的進一步改進，壓電相/環氧樹脂復合層中的環氧樹脂可以由硅膠、橡膠等其他柔性絕緣材料替代。
[0018]作為本實用新型的進一步改進，電極材料可以為銀、金等其他導電性材料。
[0019]作為本實用新型粘結聚酰亞胺膜、電極和壓電相/環氧樹脂復合層的粘結劑可以為環氧樹脂、AB膠或其他強力膠。
[0020]上述柔性壓電復合結構的制備方法是將叉指狀電極印刷到聚酰亞胺膜上，將叉指狀電極印刷到聚酰亞胺膜上，再與壓電相/環氧樹脂復合層粘結。
[0021]另一種柔性壓電復合結構的制備方法是將叉指狀電極和叉指狀電極印刷到壓電相/環氧樹脂復合層的上下兩面，再與聚酰亞胺膜和聚酰亞胺膜粘結。
[0022]所有上述制備方法中，所述電極通過絲網印刷、電鍍、磁控濺射或化學沉積等方法復合在壓電相/環氧樹脂復合層或聚酰亞胺膜的上下兩面。
[0023]所有上述制備方法中，壓電相/環氧樹脂復合層通過切割-填充法、流延法