一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。该应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，提高复合材料的服役周期和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于能量采集的磁电复合材料及其制备方法
本专利技术涉及磁电复合材料领域，具体而言，涉及一种应用于能量采集的磁电复合材料结构及其制备方法。
技术介绍
磁致伸缩材料是一类基于磁能与机械能之间相互转换的智能材料，可以将环境中电磁能转换成机械能。压电晶体材料是一类基于机械能与电能之间相互转换的智能材料，可以捕获环境中不被利用的振动能或声波能等转换成可利用的电能，实现能源的循环利用。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。在无线通讯高速发展的今天，环境中充斥着大量无线通讯基站，由此产生大量的不被充分利用的电磁波，利用磁电复合材料可以实现将空间中电磁能转变成可以用电能，并加以重复利用，可以节约能源，同时降低电磁污染。将磁电复合材料置于交变的磁场中，由于磁致伸缩效应，复合材料中的磁致伸缩材料产生周期性伸缩振动，并将振动通过应力传输至压电晶体材料，从而使复合材料中的压电晶体材料也产生相应的伸缩振动，通过压电效应使压电晶体材料产生电能，实现磁能与电能之间的转换，达到同时采集环境中振动能和磁能转并换成可利用电能之目的。然而，现有磁电复合材料，降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间容易发生脱粘和脆裂，降低其使用寿命。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种应用于能量采集的磁电复合材料，以解决现有磁电复合材料中的降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间容易发生脱粘和脆裂、使用寿命低的问题。所述的应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，进一步提高复合材料的服役周期和稳定性。本专利技术的第二目的在于提供一种所述的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，该方法对挤制成型模具进行设计或机械加工打孔，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磁致伸缩材料，采用模压成型技术或切割法，可以很容易制备出与蜂窝状磁致伸缩材料结构匹配的柱状压电晶体材料阵列，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，具有方便、简单、易于操作等优点，适合批量生产。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种应用于能量采集的磁电复合材料，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。进一步地，所述磁致伸缩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，所述磁致伸缩材料层的厚度不小于50μm；更进一步地，所述磁致伸缩材料层的材料为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料或者巨磁致伸缩材料中的一种。进一步地，所述压电晶体材料柱的横截面形状与所述通孔的横截面形状相匹配；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，所述压电晶体材料柱与所述通孔同轴设置。进一步地，所述磁致伸缩材料层的横截面积不小于1cm2；所述通孔的横截面积不小于300μm2。进一步地，所述压电晶体柱的材料为压电陶瓷材料或者压电单晶材料中的一种；更进一步地，所述压电陶瓷材料为PZT、BT或者KNN体系中的一种；更进一步地，所述压电单晶材料PMNT或者PZNT体系中的一种。进一步地，所述聚合物填充层的厚度不小于50μm；更进一步地，所述聚合物填充层的材料为热固性树脂，优选的热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂或酚醛树脂中的一种。进一步地，所述的电极层的材料为Cu、Au或Ag中的一种。如上所述的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构，将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构，且列阵中每个压电晶体材料柱与蜂窝状的磁致伸缩材料层中的柱型通孔一一对应；(2)、将压电晶体材料柱的列阵嵌入蜂窝状磁致伸缩材料层的柱型通孔中，且所述柱型通孔与压电晶体材料柱的轴心位置重叠，将聚合物胶液填充入压电晶体材料柱与磁致伸缩材料层之间的空隙之中，经真空固化获得磁电复合结构；(3)、将固化后的磁电复合结构沿厚度方向进行切割，获得片状磁电复合材料，在压电晶体材料柱的两个底面镀覆电极层，并分别对磁致伸缩材料和压电晶体材料进行磁化和极化处理，即该应用于能量采集的磁电复合材料结构；进一步地，在步骤(1)中，所述将磁致伸缩材料层制备为蜂窝状结构的过程中，采用的制备方法为挤出成型法或者采用机械加工打孔的方法；进一步地，所述将压电晶体材料制备为与所述蜂窝状结构对应的柱体列阵结构的过程中，采用的制备方法为模压法或切割法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料，利用聚合物相实现压电晶体材料与磁致伸缩材料之间的粘结和应力传输作用，具有柔韧性高等优点，可以有效降低压电晶体材料与磁致伸缩材料之间发生脱粘和脆裂的风险，进一步提高复合材料的服役周期和稳定性。(2)本申请所提供的应用于能量采集的磁电复合材料的制备方法，具有方便、简单、易于操作等优点，适合批量生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施方式，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为本专利技术实施例提供的应用于能量采集的磁电复合材料的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的应用于能量采集的磁电复合材料的结构示意图；图3为图1所示的应用于能量采集的磁电复合材料涂覆电极后的结构示意图；附图标记：1-磁致伸缩材料层；2-通孔；3-压电晶体材料柱；4-填充层；5-电极。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。

【技术特征摘要】
1.一种应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，包括磁化的磁致伸缩材料层和极化的压电晶体材料柱，所述磁致伸缩材料层具有蜂窝状排列的通孔结构，所述压电晶体材料柱贯穿设置于所述磁致伸缩材料层的通孔内，所述压电晶体材料柱的两端与所述磁致伸缩材料层的上下两个表面齐平，所述压电晶体材料柱与所述磁致伸缩材料层之间填充有聚合物填充层，所述压电晶体材料柱的两端镀覆电极。2.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的通孔的分布为m×n的列阵，其中，m≥2，n≥2。3.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料结构，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的厚度不小于50μm；优选的，所述磁致伸缩材料层的材料为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料或者巨磁致伸缩材料中的一种。4.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体材料柱的横截面形状与所述通孔的横截面形状相匹配；优选的，所述通孔的横截面为圆形、矩形或正多边形的一种。5.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体材料柱与所述通孔同轴设置。6.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述磁致伸缩材料层的横截面积不小于1cm2；所述通孔的横截面积不小于300μm2。7.根据权利要求1所述的应用于能量采集的磁电复合材料，其特征在于，所述压电晶体柱的材料为压电陶瓷材料或者压电单晶材料中的一种；优选的，所述压电陶瓷材料为PZT、BT或者KNN...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雄，王锋，付争兵，丁瑜，杨海平，库宗军，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42