一种叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法与流程

本发明涉及功能器件制备领域，特别是涉及一种叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法。

背景技术：

叉指电极型压电纤维复合材料(macrofibercomposites,mfcs)是一种由上下两片呈镜面对称的柔性叉指电极包覆压电纤维复合层形成的三明治式复合材料，其中，压电纤维复合层由矩形截面压电纤维单向平行排布于聚合物基体中形成。在该复合材料中，压电纤维复合层的使用确保了该复合材料的压电性能，同时使该复合材料具有较好的柔韧性、适应性和可设计性。叉指形电极的引入使得该复合材料的极化电场和驱动电场沿纤维长度方向分段分布，一定程度上降低了某些应用场合下的极化电压和驱动电压；更为重要的是，可以使该复合材料在平行纤维方向以d33模式工作，在垂直纤维方向以d31模式工作，有效发挥复合材料纵向应变性能的同时进一步增强其正交各向异性。最后，聚酰亚胺层的环保密封包装，进一步提高该复合材料的柔韧性和适用性，同时使其具有良好的耐久性。总而言之，相比于压电陶瓷和其他结构型式的压电复合材料，叉指电极型压电纤维复合材料具有厚度薄、重量轻、应变能密度高、定向驱动/传感和可作为附加结构应用于曲面复杂主体结构等优点，在振动控制、结构健康监测、导波传感器和能量收集等诸多领域存在巨大的优势和市场前景。因此，自2000年首次提出叉指电极型压电纤维复合材料的概念以来，科研工作者在其制备方面做了大量研究。

有的相关文件中首先采用流延成型法制备压电陶瓷薄片；然后采用精密数控切割机将陶瓷片切成纤维阵列；最后经环氧封装制备出叉指电极型压电纤维复合材料。还有相关文件中利用粘稠塑性加工法分别获得具有一定厚度的pzt和炭黑生坯泥料，然后通过叠加工艺获得pzt/炭黑多层生坯结构并对其进行烧结处理，再利用环氧树脂进行填充，经切割减薄后得指定厚度的pzt/树脂多层结构；最后通过叉指状电极和环氧树脂封装得到叉指电极型压电纤维复合材料。还有相关文件中采用切割法或模压法制备不同厚度的压电薄层，同时采用热压法制备不同厚度的热固性聚合物薄层，并切割聚合物薄层使其在长度和宽度上与压电薄层一致；然后由下而上将压电薄层和聚合物薄层交替堆叠并对齐，在压电薄层和聚合物薄层之间涂覆聚合物胶液，并采用热压法将上述堆叠体热压固化，得到2-2型压电复合结构；再根据成品压电复合结构层的厚度要求，将2-2型压电复合结构沿堆叠方向进行切割得所需压电纤维复合层，最后，封装得到压电纤维复合材料。

综合以上可以看出，目前有关叉指电极型压电纤维复合材料制备方面的报道大部分集中在压电纤维复合层的制备。但叉指电极型压电纤维复合材料复杂而又独特的结构使得在制备过程中除制备排列整齐一致、均匀性好压电纤维及其复合层这一关键技术之外，还有一个更为重要的技术难点，即叉指形电极层和压电纤维复合层的集成封装。如何有效快速地完成封装，并获得性能优异、可成功应用于实际工程的叉指电极型压电纤维复合材料成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法，以弥补现有技术空白，实现叉指电极型压电纤维复合材料的封装，提升智能材料与功能器件制备技术的水平。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法，包括：

用无水乙醇擦拭待封装的压电纤维复合层和叉指形电极；

将所述压电纤维复合层的上表面和下表面各覆盖一片叉指形电极，形成叠层结构；

将第一热压层、所述叠层结构和第二热压层按照顺序层叠，形成热压工装；

将所述热压工装放入热压台，开启压力装置施加压力；待所述压力达到设定压力值后，开启加热装置将热压板加热至设定温度；待所述热压板的温度达到所述设定温度后，控制压机保温保压设定时长，完成封装。

可选的，所述将所述压电纤维复合层的上表面和下表面各覆盖一片叉指形电极，形成叠层结构，具体包括：

将聚合物胶液均匀地涂覆在所述压电纤维复合层的上表面，将第一叉指形电极覆盖在涂有聚合物胶液的所述压电纤维复合层的上表面，得到第一叠层结构；

翻转所述第一叠层结构，在所述压电纤维复合层的下表面均匀涂覆聚合物胶液，将第二叉指形电极覆盖在涂有聚合物胶液的所述压电纤维复合层的下表面，得到第二叠层结构。

可选的，所述聚合物胶液为热固性树脂胶液。

可选的，所述第一热压层和所述第二热压层均包括叠放设置的第一热压材料层和第二热压材料层，所述第一热压层和所述第二热压层相对于所述叠层结构对称设置。

可选的，所述第一热压材料层为表面抛光的块体金属材料层，所述第二热压材料层为柔性材料层，所述第二热压材料层与所述叠层结构贴合设置。

可选的，所述第一热压材料层的尺寸大于所述第二热压材料层的尺寸，所述第二热压材料层的尺寸大于所述叉指形电极的尺寸。

可选的，所述叠层结构中，所述压电纤维复合层上表面的叉指形电极和所述压电纤维复合层下表面的叉指形电极的结构相同，且关于所述压电纤维复合层镜面对称；

所述压电纤维复合层中压电纤维长度方向与所述叉指形电极的电极指方向垂直，且所述压电纤维复合层与所述叉指形电极的有效区域完全贴合无气泡。

可选的，所述叉指形电极的有效区域的有效尺寸和所述压电纤维复合层的尺寸一致。

可选的，所述设定压力值为单位面积1mpa～5mpa；所述设定温度为所述聚合物胶液的固化温度；所述保温保压的设定时长为30min～240min。

可选的，所述压电纤维复合层由压电材料与聚合物材料以联通方式复合而成，所述压电材料为pzt、pmn-pt、knn或bt系压电陶瓷，所述聚合物材料为热固性树脂，所述联通方式为1-3型或2-2型；

所述叉指形电极为由聚酰亚胺膜和镀覆于所述聚酰亚胺膜上的金属导体材料构成的单面印刷柔性线路板；所述叉指形电极的电极为铜电极，且电极呈梳状结构。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的封装方法操作简单，易于控制，对设备要求低，可重复性好，适用于不同尺寸范围和不同类型叉指电极型压电纤维复合材料的封装。通过控制封装压力可以有效降低叉指电极与压电纤维之间聚合物层的厚度，使得压电纤维与电极直接接触，进而避免或降低由于聚合物介电常数低而造成的实际施加于压电纤维内部的有效电场大幅下降的问题，有效地提高了电场利用率，降低了极化和驱动电压，进而增大叉指电极型压电纤维复合材料的能量密度和驱动能力，有效发挥其驱动性能。此外，热压工装的使用在保证受力均匀和实现热传递的同时避免了热压板和叉指电极型压电纤维复合材料的直接接触，解决了封装过程中纤维断裂问题，生产成品率高。

采用本发明所述封装方法制备所得叉指电极型压电纤维复合材料厚度均匀一致、各相界面结合牢固、性能优异、服役周期长，可应用于包括直升机转子叶片的振动控制，无人机的方向舵控制，组织健康监测，机翼的变形，人造卫星的振动控制等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法的工艺流程图；

图2为本发明中热压工装的层叠示意图；

图3为本发明实施例1中待封装的叉指电极型压电纤维复合材料的结构示意图；

图4为本发明实施例1中封装所得叉指电极型压电纤维复合材料的自由应变性能曲线。

标号说明：1为第一热压材料层，2为第二热压材料层，3为叠层结构，4为叉指形电，5为聚合物层，6为压电纤维复合层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明叉指电极型压电纤维复合材料的封装方法的工艺流程图。如图1所示，所述封装方法包括以下步骤：

步骤100：用无水乙醇擦拭待封装的压电纤维复合层和叉指形电极。封装前首先用无水乙醇将待封装的压电纤维复合层及叉指形电极擦拭干净，以避免杂质的影响。本发明的压电纤维复合层由压电材料与聚合物材料以一定联通方式复合而成，所述压电材料可采用pzt、pmn-pt、knn或bt系压电陶瓷，所述联通方式可优选为1-3型、2-2型。所述叉指形电极层为由聚酰亚胺膜和镀覆于其上的金、银或铂等金属导体材料构成的单面印刷柔性线路板，优选电极材料为铜电极，且电极呈梳状结构，即一对异性主电极分别引出一系列分支电极即电极指，两侧异性电极指交替排列。

步骤200：将压电纤维复合层的上表面和下表面各覆盖一片叉指形电极，形成叠层结构。其中所述叉指形电极的有效区域的有效尺寸(长宽)和所述压电纤维复合层的尺寸(长宽)一致，压电纤维复合层上表面的叉指形电极和所述压电纤维复合层下表面的叉指形电极的结构相同，且关于所述压电纤维复合层镜面对称；所述压电纤维复合层中压电纤维长度方向与所述叉指形电极的电极指方向垂直，且所述压电纤维复合层与所述叉指形电极的有效区域完全贴合无气泡。

具体过程为：首先，将聚合物胶液均匀地涂覆在压电纤维复合层的上表面，取一片叉指形电极，记为第一叉指形电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的上表面，得到第一叠层结构，第一叠层结构中压电纤维复合层中压电纤维长度方向与叉指形电极层的电极指方向垂直，且压电纤维复合层与叉指形电极的有效区域完全贴合无气泡；然后翻转所述第一叠层结构，在压电纤维复合层的下表面均匀涂覆聚合物胶液，另取一片叉指形电极，记为第二叉指形电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的一面，得到第二叠层结构，第二叠层结构中，覆盖在压电纤维复合层两侧的上下叉指形电极层结构完全相同、电极指相互对应，且呈镜面对称结构。其中，所述聚合物胶液可采用环氧树脂基或酚醛树脂基等热固性树脂胶液。

步骤300：将第一热压层、叠层结构和第二热压层按照顺序层叠，形成热压工装。其中，第一热压层和第二热压层均包括叠放设置的第一热压材料层和第二热压材料层，所述第一热压层和所述第二热压层相对于所述叠层结构对称设置。图2为本发明中热压工装的层叠示意图，如图2所示，所述热压工装中各层叠放顺序从上至下依次为第一热压材料层1、第二热压材料层2、叠层结构3、第二热压材料层2和第一热压材料层1，其中所述第二热压材料层2的尺寸(长宽)略大于叉指形电极层的尺寸(长宽)；所述第一热压材料层1的尺寸(长宽)略大于第二热压材料2的尺寸(长宽)。所述第一热压材料层1为导热性好、硬度高、平行度好且表面抛光的块体金属材料，优选为不锈钢或铁；所述第二热压材料层2为柔性材料，优选为硅胶皮垫。

步骤400：将热压工装放入热压台，开启压力装置施加压力；待压力达到设定压力值后，开启加热装置将热压板加热至设定温度；待热压板的温度达到设定温度后，控制压机保温保压设定时长，完成封装。根据实际需求，可以设置相应的设定压力值、设定温度和设定时长。例如，所述设定压力值可以为单位面积1mpa～5mpa；所述设定温度可以为所述聚合物胶液的固化温度；所述保温保压的设定时长可以为30min～240min。

完成封装后，控制压机降温降压并取出热压工装，即得封装好的叉指电极型压电纤维复合材料。本发明的方法可用于不同尺寸范围和不同类型叉指电极型压电纤维复合材料的封装，相应的参数根据实际待封装的叉指电极型压电纤维复合材料相应设置即可。

下面提供三个具体实施例，进一步说明本发明的方案。

实施例1

尺寸为40*30*0.4mm的叉指电极型2-2压电纤维复合材料的封装方法，图3为本发明实施例1中待封装的叉指电极型压电纤维复合材料的结构示意图，如图3所示，待封装的叉指电极型压电纤维复合材料包括叉指形电4、聚合物层5和压电纤维复合层6，聚合物层5是指聚合物胶液层。

封装过程如下：

step1：用无水乙醇将待封装的压电纤维复合层及叉指形电极层擦拭干净备用，此处的压电纤维复合层为2-2型pzt基压电纤维/环氧树脂复合材料，长度为40mm、宽度为30mm，厚度为0.22mm；叉指形电极的基底材料为聚酰亚胺膜，电极材料为镀锡铜，有效电极长度和宽度分别为40mm和30mm。

step2：用分析天平分别称取50g的e-44环氧树脂、45g的低分子650聚酰胺树脂、5g的二丁酯和10g的丙酮配置聚合物胶液。

step3：将配制好的聚合物胶液均匀地涂覆在2-2型pzt基压电纤维/环氧树脂复合层的上表面，取一片叉指形电极，记为上叉指电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的上表面，确保压电纤维复合层中压电纤维长度方向与叉指形电极层的电极指方向垂直，且压电纤维复合层与叉指形电极层有效区域完全贴合无气泡，获得第一叠层结构。

step4：翻转所述第一叠层结构，在压电纤维复合层的另一面均匀涂覆聚合物胶液，另取一片与上叉指电极结构完全相同的叉指形电极，记为下叉指电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的一面，确保覆盖在压电纤维复合层两侧的上下叉指形电极层的电极指相互对应，即呈镜面对称结构，获得第二叠层结构。

step5：按从上至下依次为不锈钢板、硅胶皮垫、第二叠层结构、硅胶皮垫、不锈钢板的顺序层叠组成热压工装，其中硅胶皮垫的尺寸为50*40*3mm，不锈钢板的尺寸为70*50*3mm。

step6：将层叠好的整套热压工装送入热压台，开启压力装置将封装压力设定为单位面积1.5mpa；待压力达到设定值后，开启加热装置将热压板加热至80℃，控制压机保温保压60min完成封装。

step7：控制压机降温降压并取出热压工装，即得封装好的叉指电极型压电纤维复合材料。

图4为本发明实施例1中封装所得叉指电极型压电纤维复合材料的自由应变性能曲线，如图4所示，在幅值为2500v、偏置为750v、频率为0.1hz的交流电压驱动下，其纵向应变可达2021με，可用于结构控制、振动抑制和结构健康监测等领域中。

实施例2

尺寸为85*57*0.4mm的叉指电极型1-3压电纤维复合材料的封装方法，过程如下：

step1：用无水乙醇将待封装的压电纤维复合层及叉指形电极层擦拭干净备用，此处的压电纤维复合层为1-3型knn基压电纤维/环氧树脂复合材料，长度为85mm、宽度为57mm，厚度为0.25mm；叉指形电极的基底材料为聚酰亚胺膜，电极材料为金，有效电极长度和宽度分别为85mm和57mm。

step2：用分析天平分别称取50g的e-44环氧树脂、10g的邻苯二甲酸二辛酯、20g的瓷粉和10g的苯二甲胺配置聚合物胶液。

step3：将配制好的聚合物胶液均匀地涂覆在1-3型knn基压电纤维/环氧树脂复合层的上表面，取一片叉指形电极，记为上叉指电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的上表面，确保压电纤维复合层中压电纤维长度方向与叉指形电极的电极指方向垂直，且压电纤维复合层与叉指形电极有效区域完全贴合无气泡，获得第一叠层结构。

step4：翻转所述第一叠层结构，在压电纤维复合层的另一面均匀涂覆聚合物胶液，另取一片与上叉指电极结构完全相同的叉指形电极，记为下叉指电极，将其覆盖在压电纤维复合层涂有聚合物胶液的一面，确保覆盖在压电纤维复合层两侧的上下叉指形电极的电极指相互对应，即呈镜面对称结构，获得第二叠层结构。

step5：将所述第二叠层结构与不锈钢板和硅胶皮垫三种材料按从上至下依次为不锈钢板、硅胶皮垫、第二叠层结构、硅胶皮垫、不锈钢板的顺序层叠组成热压工装，其中硅胶皮垫的尺寸为95*65*3mm，不锈钢板的尺寸为105*75*3mm。

step6：将层叠好的整套热压工装送入热压台，开启压力装置将封装压力设定为单位面积4mpa；待压力达到设定值后，开启加热装置将热压板加热至120℃，控制压机保温保压120min完成封装。

step7：最后，控制压机降温降压并取出热压工装，即得封装好的叉指电极型压电纤维复合材料。

实施例3

尺寸为40*30*0.4mm的叉指电极型梯度压电纤维复合材料的封装方法，所用压电纤维复合层为2-2型梯度pzt基压电纤维/环氧树脂复合材料，长度为40mm、宽度为30mm，厚度为0.3mm。封装工艺参考实施例1。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。