一种剪切型压电复合结构的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种剪切型压电复合结构。
【背景技术】
[0002]在过去的十多年中，各种具有结构健康自诊断、环境自适应、自监控等功能的自适应结构成为研宄热点，这类集主结构、传感器及驱动器于一体的复合结构被广泛应用于结构检测、能量收集和振动控制等领域。而压电陶瓷，凭借其能量密度高、机电响应转换快、驱动力大等特点成为自适应结构中应用范围最广的驱动器材料。
[0003]压电陶瓷在外加电场作用下产生变形，是一种能够实现电能与机械能转化的功能材料。压电陶瓷的变形方向与外加电场的方向有着密切的关系:当外加电场方向与其极化方向平行时，则压电陶瓷会产生沿着极化方向((133压电效应)和垂直于极化方向(d31压电效应)的变形，这是利用了压电陶瓷的轴向压电效应；当外加电场方向与其极化方向垂直时，则压电陶瓷会产生一个纯剪切((115压电效应)变形，这是利用了压电陶瓷的剪切压电效应。
[0004]目前广泛使用的压电器件大多是基于压电陶瓷的d33压电效应和d31压电效应设计的。在振动抑制或自适应控制领域中，通常将这类压电器件直接粘贴于主体结构表面，通过压电陶瓷的拉伸变形来对主结构进行控制。这种表面粘贴的驱动方式使得压电器件在受到外部载荷的冲击作用时很容易发生断裂和剥落。而且，当结构发生较大的弯曲变形时，由于结构表面承受的应力最大，因此粘贴在结构表面的压电器件也将承受较高的弯曲应力，极易导致压电陶瓷断裂，使得压电器件在结构发生大变形时失效。长期处于应力状态的工作环境也会导致压电陶瓷因应力疲劳而失效，从而降低压电器件的寿命。
[0005]针对以上情况，美国普渡大学航空航天学院的Sun和Zhang提出了一种利用压电陶瓷剪切效应实现的自适应智能结构。该结构将压电陶瓷薄片置于两块主体结构面板的中间，施加于压电陶瓷的驱动电场方向与其极化方向垂直，在电场作用下压电陶瓷发生纯剪切变形从而控制主体结构的变形。在剪切工作模式下，一方面，压电器件处于结构中性层位置，即使主体结构发生较大的变形，压电器件所承受的应力水平仍然很低，因此该剪切模式的压电器件具有使用寿命长、不易剥落等优点。另一方面，一般压电陶瓷的剪切压电常数Cl15在数值上比d31和d33都大得多，相同驱动电场条件下，剪切型压电器件产生的应力应变更大。Sun和Benjeddou等人的后续研宄表明，相比于利用轴向压电效应的器件，利用剪切型压电器件的主体结构振动抑制能力更好，其整体机电耦合系数是前者的3倍多，附加阻尼是前者的12倍多，减幅程度是前者的2倍多。因此，剪切型压电器件在振动控制、能量收集等领域中的应用前景越来越引起研宄人员的广泛关注。
[0006]尽管剪切型压电器件在自适应结构中展现出应用前景，但压电陶瓷材料的脆性仍然限制了其应用范围，特别是在曲面和薄膜结构控制领域。为了解决这一问题，Kranz依托德国Smart Material公司制备了一种剪切型压电复合结构，由压电陶瓷纤维、树脂、铜电极以及上下两面柔性绝缘聚酰亚胺薄膜复合而成，如图1所示。该复合结构中，压电纤维的极化方向为长度方向，通过铜电极施加沿厚度方向的工作电压，利用了压电材料的剪切压电效应。并且包覆压电纤维的聚合物基体可为复合物提供结构整体性，能够通过应力传递机制大幅度提高压电纤维的抗损伤能力，很好地克服了压电陶瓷的脆性问题。所以该材料是一种厚度薄、重量轻，可进行大幅度弯曲和扭转的剪切型压电复合结构。但结构需要施加较高的极化电压；使用较高的极化电压一方面对极化设备提出了更高的要求，另一方面还会带来一定隐患，危害人员安全。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的是针对现有剪切型压电材料的结构及性能方面的优点及不足，提出了一种新的结构紧凑，极化电压低的能够贴合曲面结构并实现一定程度柔性变形的剪切型压电复合结构。
[0008]本实用新型的技术方案是:
[0009]本实用新型的剪切型压电材料的结构为最外两层为柔性绝缘薄膜，中间层为压电相/环氧树脂复合层，中间层与柔性绝缘薄膜之间为叉指状电极；所述叉指状电极的正极指部和负极指部交替等距排列，且上、下两个叉指状电极呈镜面对称，并对齐；所述的叉指状电极的指部与压电相/环氧树脂复合层的压电相平行，电极指部位于压电相与环氧树脂结合面边缘的上下两面；压电相极化方向为垂直于复合层平面的方向。
[0010]本实用新型所提出的压电复合结构从上至下分别为聚酰亚胺膜，叉指状电极，压电相/环氧树脂复合层，叉指状电极，聚酰亚胺膜。优选的，压电相为锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，压电相/环氧树脂复合层是一个片式的整体结构。
[0011]本实用新型的压电相/环氧树脂复合层是由在平面内平行排列的纤维状压电相和相邻纤维之间的环氧树脂相间而成。所述复合层的压电相截面为矩形。所述复合层的压电相的宽度与两个压电相的间距相等。
[0012]本实用新型优选，电极材料为铜。
[0013]本实用新型优选压电相/环氧树脂复合层中压电纤维的宽度和纤维间距均与叉指状电极的指间距相等，且所有电极指部位于压电相与环氧树脂结合面边缘的上下两面，如图2所示。复合物垂直于纤维方向的截面图如图3所示。
[0014]作为本实用新型的进一步改进，每个压电相宽度大于两个压电相的间距，从而提高了复合结构中压电相的体积分数，增强了复合结构的压电性能。叉指状电极正极指部和负极指部交替不等距排列，但所有电极指部仍位于压电相与环氧树脂结合面边缘的上下两面。
[0015]作为本实用新型的进一步改进，压电相宽度小于两个压电相的间距，从而提高了复合材料结构中环氧树脂的体积分数，增强了复合材料结构的柔性。相应的叉指状电极正极指部和负极指部交替不等距排列，但所有电极指部仍位于压电相与环氧树脂结合面边缘的上下两面。
[0016]作为本实用新型的进一步改进，压电相可以为铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、铌酸钾钠(KNN)或者其他压电材料，则最终制得的压电复合材料结构具有更好的压电性，或者更好的柔性，或者更好的环境友好性。
[0017]作为本实用新型的进一步改进，压电相/环氧树脂复合层中的环氧树脂可以由硅胶、橡胶等其他柔性绝缘材料替代。
[0018]作为本实用新型的进一步改进，电极材料可以为银、金等其他导电性材料。
[0019]作为本实用新型粘结聚酰亚胺膜、电极和压电相/环氧树脂复合层的粘结剂可以为环氧树脂、AB胶或其他强力胶。
[0020]上述柔性压电复合结构的制备方法是将叉指状电极印刷到聚酰亚胺膜上，将叉指状电极印刷到聚酰亚胺膜上，再与压电相/环氧树脂复合层粘结。
[0021]另一种柔性压电复合结构的制备方法是将叉指状电极和叉指状电极印刷到压电相/环氧树脂复合层的上下两面，再与聚酰亚胺膜和聚酰亚胺膜粘结。
[0022]所有上述制备方法中，所述电极通过丝网印刷、电镀、磁控溅射或化学沉积等方法复合在压电相/环氧树脂复合层或聚酰亚胺膜的上下两面。
[0023]所有上述制备方法中，压电相/环氧树脂复合层通过切割-填充法、流延法