图2为排列-浇铸法制备压电纤维复合材料的工艺图。压电纤维复合材料的制备分为六个步骤。步骤一: 采用流延法制备出尺寸为45 mm×13.5 mm×0.3 mm的0.3Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-0.7Pb(Zr_0.49Ti_0.51)O₃(PZN-PZT)陶瓷片, 如图2(a)所示。步骤二: 选择70个已烧结的陶瓷, 将其四个边对齐堆放好, 用方形物体固定在两边, 使陶瓷片保持整齐排列, 如图2(b)所示。步骤三: 将厚度为0.1 mm的隔板裁剪成图示的形状, 然后将隔板依次插入陶瓷片的间隙中, 并用适当的压力使陶瓷片和隔板保持紧密接触, 形成陶瓷-隔板叠层结构, 如图2(c)所示。步骤四: 选择一个方形的底部平整的塑料容器, 尺寸为57 mm×57 mm× 45 mm, 在容器的一个侧壁均匀地涂抹一层环氧树脂胶, 然后将步骤三制备的陶瓷-隔板叠层结构的一侧缓慢靠近容器中的环氧胶, 叠堆的另一端用方形物体夹紧, 随后将容器放入烘箱中, 在85℃下固化30 min后, 将陶瓷片之间的隔板抽出, 得到陶瓷片均匀排列的阵列结构, 如图2(d)所示。步骤五: 用电子秤分别称取50 g环氧树脂E-51, 25 g聚酰胺PA650, 10 g丙酮, 随后将丙酮倒入聚酰胺中搅拌均匀, 再将丙酮-聚酰胺混合物倒入环氧树脂中共同搅拌至均匀, 制备成环氧树脂浇铸液, 然后将浇铸液注入容器中, 在相对真空度为-0.070 MPa时保压1 h, 随后在相对真空度为-0.085 MPa时保压1 h, 然后升温至50℃保温3 h, 再升温至80℃保温1 h, 最后脱模制备出2-2型压电陶瓷复合叠层, 如图2(e)所示。步骤六: 利用金刚石线切割机(STX-402, MTI Corporation)将2-2型压电陶瓷复合叠层切割成所需厚度的MFC, 如图2(f)所示。

图2

Fig. 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 压电纤维复合层的制备工艺图Fig. 2 Preparation process map of the piezoelectric fiber composites(a) 45 mm×13.5 mm×0.3mm ceramic wafer prepared by tape-casting; (b) Aligned ceramics; (c) Ceramics separated by spacers; (d) Ceramics fixed with spacers removed; (e) Polymer stack (2-2 laminated composite); (f) Piezoceramic fiber composites

排列-浇铸法工艺过程简单、易于控制、可重复性好, 成本低、效率高、易于批量生产, 且制备出的复合材料上下表面平整, 压电纤维排列均匀, 环氧树脂的致密性好。

图3为MFC驱动器的叉指电极板实物图。IDE的具体尺寸参照表1。MFC所用的IDE交叉电极是刻在聚酰亚胺薄膜上的, 聚酰亚胺薄膜起到载体和绝缘的作用。这种柔性电路板是采用高精度的光刻技术制备, IDE中导电线路材料采用的是铜箔。铜箔的柔韧性很好, 可以保证MFC驱动器具有较好的耐久性。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 MFC驱动器的叉指电极板Fig. 3 Interdigitated electrode plate of MFC actuator (50 mm×35 mm, electrode gap: 1mm, finger width: 150 µm)

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 MFC驱动器的尺寸 Table 1 Dimension of MFC actuator Properties Dimension Package active area width, wmfc 29 mm Package active area length, lmfc 36 mm Package maximum thickness, tmfc 450 µm Piezoelectric fiber thickness, tf 300 µm Piezoelectric fiber width, wf 310 µm Piezoelectric fiber spacing, kf 100 µm Interdigitated electrode gap, center-to-center, pe 1 mm Interdigitated electrode finger width, we 150 µm Interdigitated electrode thickness, tc 18 µm Electrode laminate acrylic adhesive thickness, ta 13 µm Polyimide outer electrode film thickness, tp 50 µm

表1 MFC驱动器的尺寸 Table 1 Dimension of MFC actuator

图4为封装好的MFC驱动器示意图及局部放大图。用环氧树脂胶将压电纤维复合层封装在上下电极板之间。上下电极板的交叉线路保持镜面对称, 也就是线路保持完全重合, 再经过真空热压处理, 压力约为4 MPa, 温度设置在60℃, 抽真空4 h, 最终得到MFC驱动器。

图4

Fig. 4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 封装好的MFC驱动器及局部放大图Fig. 4 The encapsulated MFC actuator and structural detail

因为压电纤维之间由聚合物连接, 增加了材料整体的柔韧性, 使封装过程变得简单方便。该方法更容易控制、易于批量生产, 且能保证产品性能的一致性。本研究制备的MFC驱动器的几何尺寸如表1所示。

陶瓷的压电应变常数 d₃₃采用准静态压电应变仪(ZJ-3A, Institute of Acoustics, Academic Sinica, Beijing, China)测量, 机电耦合系数 k₃₃、相对介电常数 ε_r和介电损耗tan δ通过阻抗分析仪(HP 4294A, Agilent, USA)测量。陶瓷和环氧树脂基体的弹性柔顺系数 s₃₃采用沃特世科技(上海)有限公司生产的DMA2980动态热分析仪测量。MFC的上下表面覆盖叉指电极(Interdigitated Electrode简称IDE), 使用2671型万能击穿装置在室温下对其进行极化, IDE的正负电极间距为0.85 mm, 极化电压为2500 V/mm, 极化时间为20 min。结合惠斯通电桥和基于LabVIEW的动态应变系统对MFC的应变进行测试。

表2列出了PZN-PZT陶瓷的电学、力学等性能。根据测试结果可以看出, 陶瓷的致密性较好, 压电常数较高, 居里温度非常高, 弹性柔顺系数较低。较高的居里温度是PZN-PZT陶瓷的突出优点。采用PZN-PZT陶瓷制备的MFC驱动器的性能稳定, 抗老化能力强, 使用温度范围较宽^{[ 16]}。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 PZN-PZT陶瓷的性能 Table 2 Properties of PZN-PZT ceramics Properties PZN-PZT ceramics Piezoelectric strain constant, d33/(pC·N-1) 520 Piezoelectric strain constant, d31/(pC·N-1) -205 Density, ρ/(g·cm-3) 7.88 Dielectric constant, εr 1704 Mechanical quality factor, Qm 63 Electromechanical coupling coefficient, k33 0.6 Curie temperature, Tc/℃ 320 Elastic compliance coefficient, s33/(m2·N-1) 2.05×10-11

表2 PZN-PZT陶瓷的性能 Table 2 Properties of PZN-PZT ceramics

MFC性能可以通过两相压电复合材料的复合理论简单计算。因为MFC的主动部分由平行排列的压电纤维和非压电基体材料组成, MFC的压电性能可以利用组成材料各自的性能和下面列出的共应变方程粗略推导^{[ 16, 17, 18]}。

纵向压电常数(pC/N):

(2)

介电常数:

(3)

机电耦合系数:

(4)

公式(1)~(4)中^{[ 18]}, 下标 f和 m分别表示复合材料中的压电纤维和基体材料, 表示纤维或基体的体积分数。一般来说, 与压电纤维比较, 环氧树脂基体材料和聚酰亚胺薄膜的刚性和介电性能都很低.为了理论推导的准确性, 纤维和基体材料的柔顺性和介电性能都做了定量分析。基体的弹性柔顺系数和介电常数分别为310×10^-12 m²/N和3.5。

表3列出了利用上述公式推导出的MFC的理论电学性能。上述公式推导出的结果只是作为初级评定, 计算只考虑了MFC被充分极化的情况。在实际中, MFC是将压电材料封装在上下叉指电极板之间的整体结构。只有采用更复杂的公式才能得出更接近实际的数值, 但是, 上述的共应变方程可以作为初级评定^{[ 17, 18]}。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 压电纤维复合材料的理论电学性能 Table 3 Theory of electrical properties of piezoceramic fiber composite Properties Piezocomposites Piezoelectric strain constant,/(pC·N-1) 509 Piezoelectric strain constant,/(pC·N-1) -156 Dielectric constant, 1296 Electromechanical coupling coefficient, 0.58

表3 压电纤维复合材料的理论电学性能 Table 3 Theory of electrical properties of piezoceramic fiber composite

图5为MFC驱动器的电压-应变曲线图。在MFC的上下表面各粘结一个纵向的和横向的电阻应变计(BE120-3AA, 齐齐哈尔市万达电器设备厂), 将MFC驱动器的正负极连接到NI 9263输出电源上, 再把电阻应变计连接到NI 9237惠斯通电桥模拟输入组件上, 在LabVIEW程序中测量MFC驱动器的应变性能。通过电压放大设备施加振幅±300 V、频率10 Hz的正弦电压。实验测得了MFC的纵向应变和横向应变曲线。MFC的纵向应变振幅为100 µε, 横向应变振幅为58 µε。

图5

Fig. 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 MFC驱动器的自由应变性能: (±300 V, 10 Hz, 正弦电压, 循环4次)Fig. 5 Free-strain performance of MFC actuator (±300 V, 10 Hz sine wave, 4 cycles)

通过简单地计算, 可以得到MFC驱动器的纵向和横向伸缩分别为3.6和1.7 μm。结果表明, 叉指电极产生的平面内的电场沿着压电纤维轴心方向, 促使压电纤维产生较大的纵向压电效应, 所以在纤维轴向发生的机械响应最大, 从而产生较大的纵向伸缩振动。

从电压-应变曲线(图5)还可以看到MFC驱动器的电压-应变曲线存在迟滞现象。在本研究中将迟滞性量化定义为零电压位置对应的纵向应变的差值与总的纵向应变之比。迟滞性越大, 所测样品的机电转换能力越差; 迟滞性越小, 所测样品的机电转换能力越强^{[ 17]}。在本实验测试条件下, 得到MFC驱动器产生的电压-应变的迟滞为33%。结果表明, MFC驱动器具有较强的机电转换能力。