一種撓曲電壓電復合材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及功能材料技術領域，尤其涉及一種撓曲電壓電復合材料。
【背景技術】
[0002]壓電材料，是一種在承受壓力時能產(chǎn)生極化響應(正壓電效應)或在電場下產(chǎn)生應變響應(逆壓電效應)的功能材料，通常存在于無對稱中心的晶體結構中。壓電材料可以實現(xiàn)機械能與電能之間的轉換?；谶@一特點，壓電材料可以應用于制備傳感器、驅動器、換能器和能量回收等器件。目前應用比較廣泛的壓電材料是含鉛壓電陶瓷材料，比如鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料。這類含鉛壓電陶瓷材料有著良好的壓電性能，但是，由于這類壓電材料中通常存在一個相變溫度(居里溫度)，當使用溫度達到一定值時，會發(fā)生相變產(chǎn)生中心對稱的晶體結構，失去壓電性。一般的鉛基壓電陶瓷材料的居里溫度低于400°C以下，限制了壓電材料在高溫下的使用。
[0003]近年來，人們圍繞著如何提高壓電材料的性能做了在大量的研究。隨著對材料機電性能的研究，撓曲電效應引起人們的關注。撓曲電效應不同于壓電效應，前者可以存在于所有的介電材料中，沒有晶體結構上的限制。撓曲電效應的定義為材料在存在應變梯度下的極化響應(正撓曲電效應)，或者在存在電場梯度情況下的應力響應(逆撓曲電效應)。利用撓曲電效應，可以設計一種撓曲電壓電材料，即設計一種結構，可以使施加在這種結構上的外力或外電場信號轉化成相應的應變或電場梯度，進而通過撓曲電效應會產(chǎn)生相應的電極化響應或應變響應，從而材料表現(xiàn)出表觀壓電效應。這種撓曲電壓電材料有兩個傳統(tǒng)壓電材料無法實現(xiàn)的優(yōu)點，第一，撓曲電壓電材料的選材廣泛，不受材料的對稱性限制；第二，撓曲電壓電材料由于沒有受相變溫度的限制而具有更加廣泛的使用溫度。
[0004]設計撓曲電壓電復合材料有兩個關鍵點，一是能夠將所施加的力或者電信號轉化為相應的應變或電場梯度，產(chǎn)生撓曲電效應，并且要盡可能產(chǎn)生大的梯度；二是產(chǎn)生的撓曲電響應能夠高效率的轉化為表觀壓電響應。目前在實驗中已證明可行的有兩種撓曲電壓電材料，第一種是類金字塔型結構的撓曲電壓電復合材料，它很好的將外力轉化為了相應的應變梯度，產(chǎn)生撓曲電效應，從而表現(xiàn)出表觀壓電響應，但是，這種復合材料產(chǎn)生的表觀壓電響應較小。第二種彎曲型撓曲電壓電復合材料能夠產(chǎn)生很大的應變梯度，并且也有很好的撓曲電壓電轉換效率，但是，彎曲型撓曲電壓電復合材料的結構復雜，制備工藝繁瑣。因此這兩種材料在實際應用中受到了很大的限制。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明解決的技術問題在于提供一種撓曲電壓電復合材料，本申請?zhí)峁┑膿锨妷弘姀秃喜牧夏軌虍a(chǎn)生撓曲電效應。
[0006]有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N撓曲電壓電復合材料，包括依次疊加設置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。
[0007]優(yōu)選的，所述壓頭與介電材料的接觸面積小于介電材料與壓頭接觸側介電材料表面的面積。
[0008]優(yōu)選的，所述支撐板與介電材料的接觸面積大于所述壓頭與介電材料的接觸面積。
[0009]優(yōu)選的，所述介電材料的厚度為大于Ocm且小于10cm。
[0010]優(yōu)選的，所述介電材料為I片，所述支撐板為I片，所述壓頭為I個或多個。
[0011]優(yōu)選的，所述壓頭的形狀為尖狀、圓球狀或平壓頭狀。
[0012]優(yōu)選的，所述介電材料為介電系數(shù)大于2的介電材料。
[0013]優(yōu)選的，所述介電材料為含鉍的鐵電材料、含鉛的鐵電材料、鈦酸鋇基鐵電材料、鈦酸鍶基鐵電材料、(Na, K, Li)他03基鐵電材料或具有鎢青銅結構的鐵電材料。
[0014]優(yōu)選的，電解材料為濺射金電極、濺射鉑電極，燒銀電極、濺射銀電極、鋁電極或鈀電極。
[0015]優(yōu)選的，所述支撐板的材料為氧化鋁、硬質合金或天然硬質材料。
[0016]本申請?zhí)峁┝艘环N撓曲電壓電復合材料，其包括依次疊加設置的包括依次疊加設置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。本申請的撓曲電壓電復合材料通過對壓頭施加壓力，由于介電材料兩面受力不對稱且由于介電材料表面的電極材料，使介電材料中在受力點附近出現(xiàn)較強的應變梯度，產(chǎn)生撓曲電效應，進而表現(xiàn)出表觀的壓電效應。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明撓曲電壓電復合材料的截面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為了進一步理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權利要求的限制。
[0019]—種撓曲電壓電復合材料，包括依次疊加設置的壓頭、介電材料與支撐板；所述壓頭與所述介電材料的接觸面積與所述介電材料與所述支撐板的接觸面積不同，所述介電材料與所述壓頭接觸側的表面和所述介電材料與所述支撐板接觸側的表面均涂敷有電極材料，所述介電材料為片狀。
[0020]本申請?zhí)峁┝松鲜鼋Y構的撓曲電壓電復合材料，通過對一片兩面有電極材料的介電材料的兩面施加外力，由于兩面的受力面積不同，因此外力是不對稱的，使材料產(chǎn)生不同的應變，從而在材料內部形成應變梯度，而產(chǎn)生撓曲電效應，進而表現(xiàn)出表觀的壓電效應。
[0021]如圖1所示，圖1為本申請?zhí)峁┑膿锨妷弘姀秃喜牧系慕孛娼Y構示意圖，其中I為壓頭，2為介電材料，3為支撐板。
[0022]本申請所述壓頭的形狀可以為尖狀、圓球狀或平壓頭狀，本申請對所述壓頭的形狀沒有特別的限制。本申請對壓頭的材料同樣沒有限制。
[0023]本申請所述介電材料優(yōu)選為介電系數(shù)大于2的介電材料，一般而言，表征材料撓曲電性能的參數(shù)撓曲電系數(shù)與材料的介電性能相關，介電性能小于2的介電材料的撓曲電系數(shù)很小，更優(yōu)選選自含鉍的鐵電材料、含鉛的鐵電材料、鈦酸鋇基鐵電材料、鈦酸鍶基鐵電材料、(Na, K，Li)他03基鐵電材料和具有鎢青銅結構的鐵電材料中的一種或多種；具有高介電性能的鐵電材料具有比一般介電材料更高的撓曲電效應，因而在上述的結構中，優(yōu)選采用鐵電材料產(chǎn)生的撓曲電效應可以產(chǎn)生更高的表觀壓電性能；在一些實施例中，所述介電材料優(yōu)選選自含秘的鐵電材料、含鉛的鐵電材料和欽酸鎖基鐵電材料中的一種或兩種。本申請所述介電材料按照本領域技術人員熟知的方式制備得到或直接購買得到。本申請所述介電材料為片狀的介電材料，為了使撓曲電壓電復合材料產(chǎn)生的表觀壓電響應比較大，所述介電材料的厚度優(yōu)選大于Ocm小于10cm，更優(yōu)選為Ocm?4cm。本申請對所述介電材料的形狀沒有特別的限制，可以為圓形、方形或不規(guī)則形狀。
[0024]本申請所述介電材料與壓頭接觸面的表面與介電材料與支撐板接觸的表面均涂覆有電極材料，所述電極材料的存在才能使施加的力轉化為應變，產(chǎn)生撓曲電效應。本申請所述電極材料為本領域技術人員熟知的電極材料，作為優(yōu)選方案，所述電極材料優(yōu)選為濺射金電極、濺射鉑電極、燒銀電極、濺射銀電極、鋁電極或鈀電極。
[0025]本申請所述支撐板亦可稱為基底，本申請對所述基