一种1‑3型磁电复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及磁电复合材料领域，具体而言，涉及一种1-3型磁电复合材料及其制备方法。

背景技术：

磁电复合材料材料是一类以机械能为能量传递介质，基于磁能与电能之间转换的智能结构复合材料，由具备机械能与电能之间互相转换的压电材料和磁能与机械能之间转换的磁致伸缩材料复合而成。由于其独特的磁电耦合性能，且具备磁电转换效率高、易于集成和可设计性强等优点，磁电复合材料在驱动、传感、结构健康监测和能量采集等众多领域具有广泛的应用前景。

目前，常见的磁电复合材料结构主要有颗粒复合、层状复合和纤维结构复合等几大类。这些复合结构中，颗粒状磁电复合材料制备工艺相对简单，但两种材料颗粒之间的抑制作用较大，影响复合材料内部电磁场的传输及能量的转换效率。层状结构磁电复合材料是当前研究较多的一类磁电复合材料，其磁电信号较强，制备工艺简单，但其结构可设计性较差，且应力传输效果不佳，难以保证磁电信号的稳定输出。纤维结构磁电复合材料信号输出稳定，结构可设计性强，但制备工艺相对复杂，生产效率较低，且难以制备出结构与性能系列化磁电复合材料。以上三种结构的磁电复合材料中，压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结多利用第三方结构胶实现。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种1-3型磁电复合材料，以解决现有磁电复合材料中第三方粘结材料的存在对压电陶瓷和磁致伸缩材料之间应力传输的损耗和迟滞的问题，以及现有磁电复合材料结构能量传输不稳定或者传输效率低的问题，所述的1-3型磁电复合材料利用蜂窝状压电陶瓷体的烧结过程实现压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结，避免了上述问题，同时提高了复合材料磁电转换效率和响应频率。

本发明的第二目的在于提供一种所述的1-3型磁电复合材料的制备方法，该方法简单、可行，对挤制成型模具进行设计可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状压电陶瓷坯体，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种1-3型磁电复合材料，包括极化的压电陶瓷材料层和磁化的磁致伸缩材料柱，所述压电陶瓷材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述磁致伸缩材料柱贯穿设置于所述压电陶瓷材料层的通孔内，所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层等高，且所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层之间通过热处理粘结，所述压电陶瓷材料层的两端镀覆电极。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的通孔的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的厚度不小于100μm。

进一步地，所述磁致伸缩材料柱与所述压电陶瓷材料层的通孔的横截面形状相同；

进一步地，所述通孔的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。

进一步地，所述压电陶瓷材料层的的横截面积不小于1cm²，所述磁致伸缩材料柱的横截面积不小于300μm²。

进一步地，所述压电陶瓷为PZT、PMnS或者BNT中的一种。

进一步地，所述的磁致伸缩材料为铁氧体磁致伸缩材料，优选的铁氧体为CoFe₂O₄或者NiFe₂O₄中的一种。

进一步地，所述电极的材料为Cu、Au或Ag中的一种。

如上所述的1-3型磁电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用塑性聚合物法将压电陶瓷粉体制备成压电陶瓷泥料，采用挤制成型技术将陶瓷泥料制备成蜂窝状压电陶瓷坯体；采用塑性聚合物-挤制成型技术制备形状与蜂窝状的压电陶瓷通孔相匹配的磁致伸缩材料柱；

(2)、将磁致伸缩材料柱依次嵌入蜂窝状压电陶瓷坯体的通孔中，经过排塑和烧结处理后，利用热处理过程中坯体的收缩和烧结作用实现压电陶瓷与磁致伸缩材料之间的粘结，得到1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(3)、根据磁电复合材料成品对厚度的要求，1-3型磁电复合结构沿磁致伸缩材料柱轴向的垂直方向进行切割，并在压电陶瓷材料层两端镀覆电极并进行极化处理，得到1-3型磁电复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本申请所提供一种1-3型磁电复合材料，利用蜂窝状压电陶瓷体的烧结过程实现压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结，同时提高了复合材料磁电转换效率和响应频率。

(2)本申请所提供一种1-3型磁电复合材料的制备方法，该方法简单、可行，对挤制成型模具进行设计可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状压电陶瓷坯体，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的1-3型磁电复合材料的结构示意图；

图2为图1所示的1-3型磁电复合材料涂覆电极的结构示意图；

附图标记：

1-压电陶瓷材料层； 2-通孔；

3-磁致伸缩材料柱； 4-电极。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

一种1-3型磁电复合材料，包括极化的压电陶瓷材料层1和磁化的磁致伸缩材料柱3，所述压电陶瓷材料层1具有蜂窝状排列的通孔1结构，所述磁致伸缩材料柱3贯穿设置于所述压电陶瓷材料层1的通孔1内，所述磁致伸缩材料柱3与所述压电陶瓷材料层1等高，且所述磁致伸缩材料柱3与所述压电陶瓷材料层1之间通过热处理粘结，所述压电陶瓷材料层1的两端镀覆电极4。

本申请所提供的1-3型磁电复合材料，将压电陶瓷材料层1制备为蜂窝状，其通孔1可以为任意形状，也可以为单一特定形状。通孔1的分布可以为均匀分布、列阵分别和非均匀任意分布。通孔12内置等高的磁化的磁致伸缩材料柱3，磁致伸缩材料柱3需要与通孔1的形状相匹配，完全填充在通孔1之中。两种材料之间，利用热处理过程中坯体的收缩和烧结作用实现压电陶瓷与磁致伸缩材料之间的粘结。在压电陶瓷材料层的两个截面镀覆电极4，如图2所示。

进一步地，所述压电陶瓷材料层1的通孔1的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。

由图1可见，压电陶瓷材料层1的通孔1设置优先为列阵。

进一步地，所述压电陶瓷材料层1的厚度不小于100μm。

压电陶瓷材料层1小于100μm无法设置磁致伸缩材料柱3，无法达到符合材料的目的。

进一步地，所述磁致伸缩材料柱3与所述压电陶瓷材料层1的通孔1的横截面形状相同；

进一步地，所述通孔1的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。

由图1可见，通孔1的横截面为圆形，也可以为矩形或正多边形。

进一步地，所述压电陶瓷材料层1的的横截面积不小于1cm²，所述磁致伸缩材料柱3的横截面积不小于300μm²。

材料层1的横截面积不小于1cm²，通孔12的横截面积不小于300μm²，否则无法设置足够的磁致伸缩材料柱3。

进一步地，所述压电陶瓷为PZT、PMnS或者BNT中的一种。

对压电陶瓷材料进行优选。

进一步地，所述的磁致伸缩材料为铁氧体磁致伸缩材料，优选的铁氧体为CoFe₂O₄或者NiFe₂O₄中的一种。

对的磁致伸缩材料进行优选。

进一步地，所述电极4的材料为Cu、Au或Ag中的一种。

如上所述的1-3型磁电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用塑性聚合物法将压电陶瓷粉体制备成压电陶瓷泥料，采用挤制成型技术将陶瓷泥料制备成蜂窝状压电陶瓷坯体；采用塑性聚合物-挤制成型技术制备形状与蜂窝状的压电陶瓷通孔1相匹配的磁致伸缩材料柱3；

(2)、将磁致伸缩材料柱3依次嵌入蜂窝状压电陶瓷坯体的通孔1中，经过排塑和烧结处理后，利用热处理过程中坯体的收缩和烧结作用实现压电陶瓷与磁致伸缩材料之间的粘结，得到1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(3)、根据磁电复合材料成品对厚度的要求，1-3型磁电复合结构沿磁致伸缩材料柱3轴向的垂直方向进行切割，并在压电陶瓷材料层两端镀覆电极4并进行极化处理，得到1-3型磁电复合材料。

实施例1

本实施例以PZT为压电相，CoFe₂O₄体系为磁致伸缩材料，采用以下方法制备而成：

(1)以PZT压电陶瓷粉体为原材料，采用塑性聚合物法制备陶瓷泥料，将所得泥料采用挤制成型法制备蜂窝状压电陶瓷坯体，坯体截面为圆形，坯体直径和高度分别为20mm和30mm，孔隙截面形状为圆形，孔隙直径为3mm，孔隙数目为25，孔隙呈5×5的列阵分布于坯体中；

(2)以CoFe₂O₄为原材料，制备截面圆形、直径和高度分别为3mm和30mm的柱状磁致伸缩材料；

(3)将步骤(2)所得的柱状磁致伸缩材料依次嵌入到步骤(1)所制备的蜂窝状压电陶瓷配体的孔隙中，按照蜂窝状压电陶瓷的烧结工艺进行烧结，即获得1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(4)将步骤(3)所制备的1-3型磁电复合结构沿垂直厚度方向进行切割，调整切割的刀距，使切割后1-3型磁电复合结构厚度为5mm，在样品两个平行表面中压电陶瓷处镀覆Ag电极并进行极化处理，即获得1-3磁电复合材料，样品直径20mm，厚度5mm，磁致伸缩材料体积分数为45％。

实施例2

本实施例以PMnS为压电相，NiFe₂O₄体系为磁致伸缩材料，采用本发明制备1-3型磁电复合材料，具体过程如下：

(1)以PZT压电陶瓷粉体为原材料，采用塑性聚合物法制备陶瓷泥料，将所得泥料采用挤制成型法制备蜂窝状压电陶瓷坯体，坯体截面为圆形，坯体直径和高度分别为20mm和30mm，孔隙截面形状为正方形，边长为2mm，孔隙数目为20，孔隙呈4×5的列阵分布于坯体中；

(2)以NiFe₂O₄为原材料，制备截面正方形、边长和高度分别为2mm和30mm的柱状磁致伸缩材料；

(3)将步骤(2)所得的柱状磁致伸缩材料依次嵌入到步骤(1)所制备的蜂窝状压电陶瓷坯体的孔隙中，按照蜂窝状压电陶瓷的烧结工艺进行烧结，即获得1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(4)将步骤3所制备的1-3型磁电复合结构沿垂直厚度方向进行切割，调整切割的刀距，使切割后1-3型磁电复合结构厚度为4mm，在样品两个平行表面中压电陶瓷处镀覆Ag电极并进行极化处理，即获得1-3磁电复合材料，样品直径20mm，厚度4mm，磁致伸缩材料体积分数为25.5％。

实施例3

本实施例以BNT为压电相，NiFe₂O₄体系为磁致伸缩材料，采用本发明制备1-3型磁电复合材料，具体过程如下：

(1)以PZT压电陶瓷粉体为原材料，采用塑性聚合物法制备陶瓷泥料，将所得泥料采用挤制成型法制备蜂窝状压电陶瓷坯体，坯体截面为圆形，坯体直径和高度分别为20mm和30mm，孔隙截面形状为六边形，边长为2mm，孔隙数目为24，孔隙呈4×6的列阵分布于坯体中；

(2)以NiFe₂O₄为原材料，制备截面六边形、边长和高度分别为2mm和30mm的柱状磁致伸缩材料；

(3)将步骤(2)所得的柱状磁致伸缩材料依次嵌入到步骤(1)所制备的蜂窝状压电陶瓷坯体的孔隙中，按照蜂窝状压电陶瓷的烧结工艺进行烧结，即获得1-3型磁电复合结构，并对结构中的磁致伸缩材料进行磁化处理；

(4)将步骤3所制备的1-3型磁电复合结构沿垂直厚度方向进行切割，调整切割的刀距，使切割后1-3型磁电复合结构厚度为4mm，在样品两个平行表面压电陶瓷处镀覆Ag电极并进行极化处理，即获得1-3磁电复合材料，样品直径20mm，厚度4mm，磁致伸缩材料体积分数为25.5％。

综上所述，本申请所提供一种1-3型磁电复合材料，利用蜂窝状压电陶瓷体的烧结过程实现压电陶瓷和磁致伸缩材料之间的粘结，同时提高了复合材料磁电转换效率和响应频率。该1-3型磁电复合材料的制备方法，该方法简单、可行，对挤制成型模具进行设计可以很容易制备出孔隙形状、尺寸及体积分数系列化的蜂窝状压电陶瓷坯体，进而实现结构与性能系列化的磁电复合材料的批量化制备。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。