一种管道用压电纤维复合材料微驱动器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种管道用压电纤维复合材料微驱动器及其制备方法，微驱动器包括压电纤维层，由层叠的压电陶瓷纤维组成，相邻两片陶瓷纤维之间经压敏胶粘结，胶膜层，涂覆在压电纤维层的上下表面；叉指电极层，贴合在胶膜层的外表面。与现有技术相比，本发明专利技术保留较强压电性能，同时具有较高韧性、在安装形变过程中不易开裂损坏的压电纤维复合材料层，能够解决在目前常规的环氧树脂材料在大曲率表面上使用时由于树脂基体韧性不足而导致的传感器本身被破坏的问题，同时可提高较高的压电驱动力。

Piezoelectric fiber composite micro actuator for pipeline and its preparation method

The invention relates to a piezoelectric fiber composite micro-actuator for pipeline and a preparation method thereof. The micro-actuator comprises a piezoelectric fiber layer composed of laminated piezoelectric ceramic fibers. The two adjacent ceramic fibers are bonded by pressure-sensitive adhesive, and the adhesive film is coated on the upper and lower surfaces of the piezoelectric fiber layer; the interdigital electrode layer is bonded on the adhesive layer. The outer surface of the film. Compared with the prior art, the present invention retains strong piezoelectric property, has high toughness and is not easy to crack and damage in the process of installation deformation, and can solve the sensor itself caused by insufficient toughness of the resin matrix when the conventional epoxy resin material is used on the surface with large curvature. The problem of damage can also increase the higher piezoelectric driving force.

【技术实现步骤摘要】
一种管道用压电纤维复合材料微驱动器及其制备方法
本专利技术属于智能复合材料领域，尤其是涉及一种管道用压电纤维复合材料微驱动器及其制备方法。
技术介绍
管道运输作为现代五大运输方式之一，在资源调配沟通地域方面起着非常重要的作用。在管道上的投资在工程总投资中也占据重大比例。然而近来管道事故频发，对公共安全，经济，环境造成严重危害。从客观角度看，管道跨度大覆盖范围广，服役条件恶劣，损伤相对局部，难以观察诊断，对其的结构健康检测难度很大。管道主要承受静力(少量环境振动)，而环境腐蚀和节点连接强度退化等隐蔽的非破坏性损伤对结构健康造成重大隐患。因此，以控制激励驱动结构的响应，来获得高信噪比的控制载荷和结构响应信号，并做高精度的系统识别，是切实可行的结构健康检测方法。常规的压电陶瓷驱动器为平板状结构，无法在大曲率表面与管道进行胶接。而传统的MFC压电陶瓷纤维驱动器为了满足在大曲率表面胶接的需要，首先将陶瓷纤维切割为截面尺寸在0.1～0.5mm的矩形纤维，在纤维缝隙中用热固性树脂(环氧树脂)进行胶接，然后成型。但这种工艺制备的压电器件虽然可以保有原压电陶瓷的传感性能，但由于截面尺寸过小，其驱动效果受到很大影响。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种管道用压电纤维复合材料微驱动器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，包括：压电纤维层：由层叠的压电陶瓷纤维组成，相邻两片陶瓷纤维之间经压敏胶粘结，胶膜层：涂覆在压电纤维层的上下表面；叉指电极层：贴合在胶膜层的外表面。所述的压电陶瓷纤维由压电陶瓷片切割得到。所述的压敏胶为热塑性压敏胶。所述的热塑性压敏胶包括乙烯-乙酸乙烯(EVA)聚合物树脂，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)热熔胶、聚酰胺(PA)热熔胶或苯乙烯类热塑性弹性体(SBC)热熔胶等类型,拉伸断裂应变率>200％，180℃剥离强度>4N·cm，软化温度>80℃，优选采用软化温度>100℃的压敏胶。所述的胶膜层为含双氰胺固化剂的环氧结构胶膜层。所述的叉指电极层由聚酰亚胺薄膜制作，该聚酰亚胺薄膜内侧刻有铜叉指电极。一种管道用压电纤维复合材料微驱动器的制备方法，采用以下步骤：(1)利用陶瓷粉体流延成型法烧结得到压电陶瓷片，在压电陶瓷片的上下表面上喷涂压敏胶；(2)将多个完成涂胶的压电陶瓷片叠层，加热并真空加压胶接形成压电陶瓷叠堆，加热温度为所用压敏胶的软化点以上10℃，真空加压的压力为-0.097～-0.1MPa；(3)冷却至室温定型后将压电陶瓷叠堆裁剪成薄片形状，形成压电纤维层；(4)在压电纤维层的上下表面用胶膜胶接叉指电极层，封装成为具有柔性可变形性的压电纤维复合材料微驱动器。封装完成得到驱动器后，还可以用叉指电极对其进行极化，使极化温度低于环氧胶膜的固化温度。-18℃以下低温保存，以保证环氧胶膜不会在驱动器使用前完全固化。在使用时，首先在结构表面涂布环氧结构胶，然后将该压电纤维复合材料驱动器铺贴在结构表面，然后加热，使驱动器的内部胶膜和结构表层胶粘剂同步固化，使之获得与结构表面相匹配的外形轮廓。与现有技术相比，本专利技术保留较强压电性能，同时具有较高韧性、在安装形变过程中不易开裂损坏的压电纤维复合材料。这是由于采用了具有>200％的高拉伸断裂应变率的热塑性胶粘剂，同时用未固化的环氧胶膜保证安装过程中叉指电极层具有足够的柔性与压电纤维层变形协调而获得的性能。普通热固性树脂胶粘剂(如环氧树脂)的断裂延伸率普遍低于20％。这就要求使用热固性树脂胶接压电纤维层的微驱动器只能通过尽量减小压电纤维的截面尺寸，在压电纤维间加入数量更多的树脂层，以达到在曲面弯曲变形时压电纤维层不会发生断裂破坏的目的。但由于压电纤维是压电纤维微驱动器中唯一的功能性材料，整个横截面上压电纤维的比例越高越有利于压电驱动器压电性能的保持。提高胶粘剂层的断裂延伸率就可以减少对压电纤维尺寸的过度限制，减少树脂层的数量。与此同时，在压电纤维层与叉指电极层间的未固化环氧胶膜可以满足驱动器最终胶接时各功能层变形协调的要求，从而能够解决在目前常规的环氧树脂材料在大曲率表面上使用时由于树脂基体韧性不足而导致的传感器本身被破坏的问题，同时可提高较高的压电驱动力。附图说明图1为压电纤维复合材料微驱动器的主视结构示意图；图2为压电纤维复合材料微驱动器的侧视结构示意图；图3为压电纤维复合材料微驱动器的俯视剖面图。图中，1-叉指电极层、2-胶膜层、3-压电纤维层、4-压电陶瓷纤维、5-压敏胶。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其结构如图1-3所示，包括：压电纤维层3，由层叠的压电陶瓷纤维4组成，相邻两片陶瓷纤维4之间经压敏胶5粘结，其中的压电陶瓷纤维是由1mm厚的压电陶瓷片切割为1*0.5mm的矩形截面宏纤维。使用的压敏胶5为热塑性压敏胶，本实施例采用的是是乙烯-乙酸乙烯聚合物树脂(EVA)，弹性模量80MPa，极限应变率200％，软化温度90℃。其弹性好，柔韧，防水，耐腐。相应地，利用EVA在90℃软化的性质，在制备时放弃复杂的浇铸后热固化过程，采用热熔涂覆液冷硬化的制备工艺即可。胶膜层2，为含双氰胺固化剂的环氧结构胶膜，涂覆在压电纤维层3的上下表面；叉指电极层1，贴合在胶膜层2的外表面，由聚酰亚胺薄膜制作，该聚酰亚胺薄膜内侧刻有铜叉指电极。一种管道用压电纤维复合材料微驱动器的制备方法，采用以下步骤：(1)利用陶瓷粉体流延成型法烧结得到压电陶瓷片，在压电陶瓷片的上下表面上喷涂压敏胶；(2)将多个完成涂胶的压电陶瓷片叠层，加热胶接形成压电陶瓷叠堆；(3)冷却定型后将压电陶瓷叠堆裁剪薄片形状，形成压电纤维层；(4)在压电纤维层的上下表面用胶膜胶接叉指电极层，封装成为具有柔性可变形性的压电纤维复合材料微驱动器。由此获得的压电纤维复合材料微驱动器可弯曲后粘接在直径为30cm的管道上，压电纤维与管道长度方向平行，微驱动器弯曲后的轮廓与管道外壁完全吻合。实施例2一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，包括由层叠的压电陶瓷纤维组成，相邻两片陶瓷纤维之间经压敏胶粘结的压电纤维层，涂覆在压电纤维层的上下表面的含双氰胺固化剂的环氧结构胶膜层；贴合在胶膜层外表面的叉指电极层。压敏胶为热塑性压敏胶，本实施例中使用的是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)热熔胶，拉伸断裂应变率>200％，180℃剥离强度>4N·cm，软化温度>80℃。叉指电极层由聚酰亚胺薄膜制作，该聚酰亚胺薄膜内侧刻有铜叉指电极。管道用压电纤维复合材料微驱动器的制备方法，采用以下步骤：(1)利用陶瓷粉体流延成型法烧结得到压电陶瓷片，在压电陶瓷片的上下表面上喷涂压敏胶；(2)将多个完成涂胶的压电陶瓷片叠层，加热并真空加压胶接形成压电陶瓷叠堆，加热温度为所用压敏胶的软化点以上10℃，真空加压的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其特征在于，该驱动器包括：压电纤维层：由层叠的压电陶瓷纤维组成，相邻两根陶瓷纤维之间经压敏胶粘结，胶膜层：涂覆在压电纤维层的上下表面；叉指电极层：贴合在胶膜层的外表面。

【技术特征摘要】
1.一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其特征在于，该驱动器包括：压电纤维层：由层叠的压电陶瓷纤维组成，相邻两根陶瓷纤维之间经压敏胶粘结，胶膜层：涂覆在压电纤维层的上下表面；叉指电极层：贴合在胶膜层的外表面。2.根据权利要求1所述的一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其特征在于，所述的压电陶瓷纤维由压电陶瓷片切割得到。3.根据权利要求1所述的一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其特征在于，所述的压敏胶为热塑性压敏胶。4.根据权利要求3所述的一种管道用压电纤维复合材料微驱动器，其特征在于，所述的热塑性压敏胶包括乙烯-乙酸乙烯(EVA)聚合物树脂，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)热熔胶、聚酰胺(PA)热熔胶或苯乙烯类热塑性弹性体(SBC)热熔胶等类型,拉伸断裂应变率>200％，180℃剥离强度>4N·cm，软化温度>80℃，优选>100℃。5.根据权利要求1所述的一种管道用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文晓，李素贞，袁玮鸿，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31