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)明屬于功能材料的領(lǐng)域，主要涉及到一種具有簡單結(jié)構(gòu)的基于撓曲電效應(yīng)的 壓電復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電效應(yīng)，即一種材料在承受壓力時(shí)產(chǎn)生極化響應(yīng)（正壓電效應(yīng)）或在電場下產(chǎn) 生應(yīng)變響應(yīng)（逆壓電效應(yīng)）。通過壓電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。目前，壓電 材料如鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT)等已被廣泛的用于制備傳感器、驅(qū)動(dòng)器、換能器和能量回收等 器件，在民用和國防領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展壓電材料 的服役條件也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，如用于航空航天領(lǐng)域的耐高溫壓電材料等。傳統(tǒng)壓 電材料的壓電性有一定的結(jié)構(gòu)限制，即只能存在于沒有中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)中，所以對于 一般常用的具有優(yōu)異壓電性能的鐵電壓電材料，只能在材料的居里溫度以下使用，一旦超 過其居里溫度材料將發(fā)生相變產(chǎn)生中心對稱結(jié)構(gòu)，壓電性能消失。所以提高壓電材料的使 用溫度也成是壓電材料領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。
[0003] 利用另外一種機(jī)電耦合效應(yīng)-撓曲電效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以制備出新 型的壓電復(fù)合材料。撓曲電效應(yīng)的定義為一種材料在存在應(yīng)變梯度下的極化響應(yīng)（正撓曲 電效應(yīng)），或者在存在電場梯度情況下的應(yīng)力響應(yīng)（逆撓曲電效應(yīng)），用公式可描述為：
[0006] 在以上公式中,P1為材料中的介電極化強(qiáng)度；E:為材料中的電場強(qiáng)度；Tu和Su分 別為材料中的應(yīng)力和應(yīng)變；yljkl為撓曲電系數(shù)，反映的是材料的撓曲電效應(yīng)的強(qiáng)弱。撓曲 電系數(shù)為四階張量，因而在所有對稱性的材料中存在著不為零分量。在很多文獻(xiàn)中，y,kl 經(jīng)常簡化為行列式分量形式iH,。
[0007] 設(shè)計(jì)撓曲電壓電材料的關(guān)鍵是要使材料所承受的力或電信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的梯度， 并且要能使材料的表觀壓電響應(yīng)盡可能的大，即是材料的撓曲電響應(yīng)轉(zhuǎn)化為壓電響應(yīng)的效 率盡可能的高。目前已有幾種撓曲電壓電材料設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中證明利用撓曲電效應(yīng)制備壓電 復(fù)合材料是可行的。其中一種是具有類金字塔型結(jié)構(gòu)的撓曲電壓電復(fù)合材料，由于材料的 不對稱結(jié)構(gòu)，施加在結(jié)構(gòu)兩個(gè)表面的力或電壓在材料中形成應(yīng)力或電場梯度，材料顯示出 表觀壓電性能。但這種材料產(chǎn)生的表觀壓電響應(yīng)小，而且這種壓電復(fù)合材料的制備工藝復(fù) 雜。另一種是彎曲型撓曲電壓電復(fù)合材料設(shè)計(jì)，復(fù)合材料通過鎢金屬絲將施加在金屬平板 上的力傳遞到長條形陶瓷片上，將所施加的力轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條形材料的彎曲變形，材料中產(chǎn)生 由于彎曲變形而產(chǎn)生的應(yīng)變梯度，材料表現(xiàn)出比較強(qiáng)的表觀壓電性能。這種材料要求是長 條的長度要遠(yuǎn)大于材料的寬度和厚度，導(dǎo)致材料的使用范圍縮小和材料的承載能力變小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開的一個(gè)方面涉及一種撓曲電壓電復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括：片狀介電 材料；兩個(gè)電極，所述片狀介電材料夾在所述兩個(gè)電極之間，形成帶有電極的片狀介電材 料；環(huán)狀支撐物；以及平板；其中所述環(huán)狀支撐物位于所述平板與所述帶有電極的片狀介 電材料之間，并與所述平板和所述帶有電極的片狀介電材料的邊緣接觸。
[0009] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述環(huán)狀支撐物為圓環(huán)形、方環(huán)形或多邊環(huán)形。
[0010] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述片狀介電材料的寬高比為大于1，優(yōu)選大于5， 再優(yōu)選大于10,最優(yōu)選10至100。
[0011] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述環(huán)狀支撐物與所述帶有電極的片狀介電材料接 觸的面積占所述帶有電極的片狀介電材料的總面積的小于99 %，優(yōu)選小于50 %，再優(yōu)選小 于10 %，最優(yōu)選小于1 %。
[0012] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述帶有電極的片狀介電材料的厚度為小于100厘 米，優(yōu)選小于1厘米，再優(yōu)選小于1毫米，最優(yōu)選為1納米至1毫米。
[0013] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述環(huán)狀支撐物的高度為小于100厘米，優(yōu)選小于1 厘米，再優(yōu)選小于1毫米，最優(yōu)選為1納米至1毫米。
[0014] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述片狀介電材料為介電系數(shù)大于2的介電材料； 優(yōu)選為含鉍的鐵電材料、含鉛的鐵電材料、鈦酸鋇基鐵電材料、SrTiO3基鐵電材料、（Na，K， Li)NbO3基鐵電材料、或具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電材料。
[0015] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所述電極材料為派射金電極、派射鉬電極、燒銀電 極、濺射銀電極、鋁電極或鈀電極。
[0016] 本公開的另一個(gè)方面涉及一種產(chǎn)生壓電響應(yīng)的方法，所述方法包括對根據(jù)本公開 所述的撓曲電壓電復(fù)合材料中的帶有電極的片狀介電材料一側(cè)施加力，使得所述片狀介電 材料彎曲或類彎曲變形，在所述片狀介電材料的厚度方向產(chǎn)生應(yīng)變梯度和撓曲電響應(yīng)，從 而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。
[0017] 在本公開的一些實(shí)施方案中，所施加的力為點(diǎn)力、平面力或均勻加力。
[0018] 在制備傳統(tǒng)的壓電復(fù)合材料時(shí)，需要材料中至少一個(gè)組分是壓電材料。本發(fā)明提 出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是基于材料的撓曲電效應(yīng)，不需要材料中任何組分為壓電材料。而且傳 統(tǒng)鐵電壓電材料受晶體結(jié)構(gòu)的限制，在一定的溫度下的相變導(dǎo)致壓電性能消失，而撓曲電 效應(yīng)存在于所有的介電材料，所以我們提出的壓電復(fù)合材料能夠在更高的溫度下使用。與 現(xiàn)有的撓曲電壓電材料相比，我們提出的結(jié)構(gòu)中材料的承載能力或者產(chǎn)生的表觀壓電響應(yīng) 也有一定的提尚。
【附圖說明】
[0019] 圖1是撓曲電壓電復(fù)合材料的截面圖；
[0020] 圖2是復(fù)合材料在加力桿作用下產(chǎn)生表觀壓電響應(yīng)；并且
[0021] 圖3是復(fù)合材料在均勻力作用下產(chǎn)生表觀壓電響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本公開的一些實(shí)施方案提出了一種具有簡單結(jié)構(gòu)的撓曲電壓電復(fù)合材料的設(shè)計(jì)， 這種復(fù)合材料由一個(gè)具有片狀形狀的介電材料（圓形或方形），一個(gè)支撐片狀介電材料邊 緣環(huán)狀支撐物和支撐環(huán)狀支撐物的平板組成。
[0023] 在本公開的一些具體實(shí)施方案中，通過對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)，使得 在材料