压电纤维复合层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种压电纤维复合层及其制备方法，涉及压电功能材料技术领域，该压电纤维复合层包括多根聚合物纤维，该多根聚合物纤维按照宽度递增的顺序堆叠，相邻聚合物纤维之间设置有压电纤维，其中，各根压电纤维与各根聚合物纤维的长度和厚度均相同。这样，将压电纤维复合层中的被动相聚合物纤维的宽度进行梯度化设计，通过改变被动相的体积分数实现压电纤维复合层的性能梯度变化，且梯度化效果更加明显，同时聚合物纤维宽度的梯度化逐步提高聚合物相的体积分数，可以有效改善复合材料整体的柔韧性，增强压电纤维复合材料与非平面结构的匹配性，满足压电纤维复合材料在更多领域的应用需要。

Composite layer of piezoelectric fiber and its preparation method

The invention provides a piezoelectric fiber composite layer and a preparation method thereof and relates to the technical field of piezoelectric materials, the piezoelectric fiber composite layer comprises a plurality of polymer fibers, the plurality of polymer fibers in order of increasing the width of the stack, a piezoelectric fiber, provided between adjacent polymer fibers, each with piezoelectric fiber the root of polymer fiber length and thickness are the same. In this way, the piezoelectric fiber composite layer in passive phase polymer fiber width gradient design, by changing the passive phase volume fraction pressure to achieve the change of electrical properties of graded fiber composite layer, and the gradient effect is more obvious, at the same time gradient polymer fiber width gradually increase the volume fraction of polymer phase, can effectively improve the the flexibility of the overall composite material, enhance the matching of piezoelectric fiber composite materials and non planar structure, meet the needs of the application of piezoelectric fiber composite materials in many fields.

【技术实现步骤摘要】
压电纤维复合层及其制备方法
本专利技术涉及压电功能材料
，尤其是涉及一种压电纤维复合层及其制备方法。
技术介绍
压电复合材料是一种基于电能与机械能之间相互耦合作用的智能复合材料，其兼具压电晶体材料的优异压电性能和聚合物基体的柔韧性等特点。压电复合材料结构种类众多，压电陶瓷纤维复合材料以压电陶瓷纤维和聚合物基体复合而成，其既保留了压电晶体材料高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差的不足，且具有单向性能突出和可设计性强等特点，被广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康监测和能量采集等众多领域。由美国NASALangly研究中心提出的MFC(Macrofibercomposites，宏观纤维复合层)结构压电纤维复合材料，由压电纤维复合层与叉指电极组合封装而成，纤维截面形状为矩形，借助叉指电极(Interdigitalelectrodes，IDEs)独特的电场分布特性，可以使复合材料以d33模式工作，有效发挥压电纤维复合材料的纵向应变性能。目前，MFC结构压电纤维复合层多采用均匀结构，难以满足压电纤维复合层的多样化应用需求，为此研究者们提出了梯度化的压电纤维复合材料，对MFC结构中压电纤维复合层进行梯度化设计，满足压电纤维复合材料在不同领域的多样化应用需要。目前，对MFC结构压电纤维复合层的梯度化设计主要从压电纤维着手，对复合材料中主动相压电纤维的宽度进行梯度化设计，此种设计的特点是随着压电纤维宽度的不断增加，主动相所占比例快速增长，压电纤维宽度的梯度化对MFC性能的影响越来越小，会逐渐失去梯度化的效果，同时增加了复合材料的脆性，限制了MFC的服役范围和期限。MFC结构压电纤维复合层应用于驱动和结构控制等领域时，需要将MFC结构压电纤维复合层附着于复杂的非平面结构上，优良的柔韧性和明显的性能梯度化是MFC结构压电纤维复合层广泛使用的基础，因此，现有的压电纤维宽度梯度化的压电纤维复合材料，梯度化效果易受压电纤维宽度的影响，且增加了复合材料的脆性，限制了压电纤维复合材料的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种压电纤维复合层及其制备方法，以增强梯度化效果，有效改善压电纤维复合层整体的柔韧性，满足压电纤维复合材料在更多领域的应用需要。第一方面，本专利技术实施例提供了一种压电纤维复合层，包括多根聚合物纤维，多根所述聚合物纤维按照宽度递增的顺序堆叠，相邻所述聚合物纤维之间设置有压电纤维，其中，各根所述压电纤维与各根所述聚合物纤维的长度和厚度均相同。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述聚合物纤维的宽度范围为10-2000μm，所述聚合物纤维的宽度递增量的范围为10-500μm。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，各个所述压电纤维的宽度相同，宽度范围为50-2000μm。第二方面，本专利技术实施例还提供如上述第一方面所述的压电纤维复合层的制备方法，包括：采用切割法或流延法制备压电陶瓷或压电单晶薄层，获得多个相同长度与宽度的压电薄层；采用模压法将热固性聚合物制备成厚度不同的聚合物薄层，其中，各个所述聚合物薄层的厚度呈梯度递增，并裁剪各个所述聚合物薄层的长度和宽度与所述压电薄层的长度和宽度一致；将聚合物薄层自上而下，根据厚度从小到大进行堆叠，在相邻所述聚合物薄层之间插入一层所述压电薄层并对齐，其中，在所述聚合物薄层与所述压电薄层相邻的表面上均匀涂覆有一层聚合物胶液，然后进行固化，获得2-2型柔性梯度压电复合结构；根据所述压电纤维复合层的厚度需求，将获得的所述2-2型柔性梯度压电复合结构沿堆叠方向进行切割，制备成压电纤维复合层；其中，所述压电纤维复合层由压电纤维与聚合物纤维交替堆叠而成，且所述聚合物纤维的宽度呈梯度递增，所述聚合物纤维的宽度为相应的所述聚合物薄层的厚度。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：根据对所述2-2型柔性梯度压电复合结构的切割工艺的调节，确定所述压电纤维复合层的厚度。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述压电纤维的宽度相同；所述方法还包括：根据所述聚合物纤维的初始宽度、所述压电纤维的宽度、所述聚合物纤维的宽度的递增量和所述压电纤维的总根数，调节所述压电纤维复合层的压电纤维的体积分数；其中，所述体积分数的计算方式为：其中，VC表示所述体积分数，WP0表示所述聚合物纤维的初始宽度，WC表示所述压电纤维的宽度，ΔWP表示所述聚合物纤维的宽度的递增量，NC表示所述压电纤维的总根数。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述压电纤维的宽度相同；所述方法还包括：根据所述聚合物纤维的初始宽度、所述压电纤维的宽度、所述聚合物纤维的宽度的递增量和所述压电纤维的总根数，调节所述压电纤维复合层的宽度；其中，所述压电纤维复合层的宽度的计算方式为：WCom＝(NC+1)×WP0+0.5×ΔWP×NC×(NC+1)+NC×WC其中，WCom表示所述压电纤维复合层的宽度，WP0表示所述聚合物纤维的初始宽度，WC表示所述压电纤维的宽度，ΔWP表示所述聚合物纤维的宽度的递增量，NC表示所述压电纤维的总根数。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，所述压电陶瓷为PZT、KNN及BT中的任一种。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，所述压电单晶为PMN-PT、PZN-PT中的任一种。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第六种可能的实施方式，其中，所述热固性聚合物为聚酯树脂、环氧树脂及酚醛树脂中的任一种。本专利技术实施例带来了以下有益效果：在本专利技术实施例中，压电纤维复合层包括多根聚合物纤维，该多根聚合物纤维按照宽度递增的顺序堆叠，相邻聚合物纤维之间设置有压电纤维，其中，各根压电纤维与各根聚合物纤维的长度和厚度均相同。这样，将压电纤维复合层中的被动相聚合物纤维的宽度进行梯度化设计，通过改变被动相的体积分数实现压电纤维复合层的性能梯度变化，且梯度化效果更加明显，同时聚合物纤维宽度的梯度化逐步提高聚合物相的体积分数，可以有效改善复合材料整体的柔韧性，增强压电纤维复合材料与非平面结构的匹配性，满足压电纤维复合材料在更多领域的应用需要。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的压电纤维复合层的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的压电纤维复合层的制备方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的压电纤维复合层的制备流程图；图4为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电纤维复合层，其特征在于，包括多根聚合物纤维，多根所述聚合物纤维按照宽度递增的顺序堆叠，相邻所述聚合物纤维之间设置有压电纤维，其中，各根所述压电纤维与各根所述聚合物纤维的长度和厚度均相同。

【技术特征摘要】
1.一种压电纤维复合层，其特征在于，包括多根聚合物纤维，多根所述聚合物纤维按照宽度递增的顺序堆叠，相邻所述聚合物纤维之间设置有压电纤维，其中，各根所述压电纤维与各根所述聚合物纤维的长度和厚度均相同。2.根据权利要求1所述的压电纤维复合层，其特征在于，所述聚合物纤维的宽度范围为10-2000μm，所述聚合物纤维的宽度递增量的范围为10-500μm。3.根据权利要求1所述的压电纤维复合层，其特征在于，各个所述压电纤维的宽度相同，宽度范围为100-2000μm。4.一种如权利要求1至3任一项所述的压电纤维复合层的制备方法，其特征在于，包括：采用切割法或流延法制备压电陶瓷或压电单晶薄层，获得多个相同长度与宽度的压电薄层；采用模压法将热固性聚合物制备成厚度不同的聚合物薄层，其中，各个所述聚合物薄层的厚度呈梯度递增，并裁剪各个所述聚合物薄层的长度和宽度与所述压电薄层的长度和宽度一致；将聚合物薄层自上而下，根据厚度从小到大进行堆叠，在相邻所述聚合物薄层之间插入一层所述压电薄层并对齐，其中，在所述聚合物薄层与所述压电薄层相邻的表面上均匀涂覆有一层聚合物胶液，然后进行固化，获得2-2型柔性梯度压电复合结构；根据所述压电纤维复合层的厚度需求，将获得的所述2-2型柔性梯度压电复合结构沿堆叠方向进行切割，制备成压电纤维复合层；其中，所述压电纤维复合层由压电纤维与聚合物纤维交替堆叠而成，且所述聚合物纤维的宽度呈梯度递增，所述聚合物纤维的宽度为相应的所述聚合物薄层的厚度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据对所述2-2型柔性梯度压电复合结构的切割工艺的调节，确定所述压电纤维复合层的厚度。6.根据权利要求4所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雄，王锋，付争兵，丁瑜，杜军，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42