挠曲电压电复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能材料的领域，主要涉及到一种具有简单结构的基于挠曲电效应的 压电复合材料的设计。
【背景技术】
[0002] 压电效应，即一种材料在承受压力时产生极化响应（正压电效应）或在电场下产 生应变响应（逆压电效应）。通过压电效应可以实现机械能与电能之间的转换。目前，压电 材料如锆钛酸铅陶瓷（PZT)等已被广泛的用于制备传感器、驱动器、换能器和能量回收等 器件，在民用和国防领域有着十分重要的应用。近年来，随着科学技术的快速发展压电材料 的服役条件也面临着越来越大的挑战，如用于航空航天领域的耐高温压电材料等。传统压 电材料的压电性有一定的结构限制，即只能存在于没有中心对称的晶体结构中，所以对于 一般常用的具有优异压电性能的铁电压电材料，只能在材料的居里温度以下使用，一旦超 过其居里温度材料将发生相变产生中心对称结构，压电性能消失。所以提高压电材料的使 用温度也成是压电材料领域的一个重要课题。
[0003] 利用另外一种机电耦合效应-挠曲电效应，通过适当的结构设计，可以制备出新 型的压电复合材料。挠曲电效应的定义为一种材料在存在应变梯度下的极化响应（正挠曲 电效应），或者在存在电场梯度情况下的应力响应（逆挠曲电效应），用公式可描述为：
[0006] 在以上公式中,P1为材料中的介电极化强度；E:为材料中的电场强度；Tu和Su分 别为材料中的应力和应变；yljkl为挠曲电系数，反映的是材料的挠曲电效应的强弱。挠曲 电系数为四阶张量，因而在所有对称性的材料中存在着不为零分量。在很多文献中，y,kl 经常简化为行列式分量形式iH,。
[0007] 设计挠曲电压电材料的关键是要使材料所承受的力或电信号转化为相应的梯度， 并且要能使材料的表观压电响应尽可能的大，即是材料的挠曲电响应转化为压电响应的效 率尽可能的高。目前已有几种挠曲电压电材料设计在实验中证明利用挠曲电效应制备压电 复合材料是可行的。其中一种是具有类金字塔型结构的挠曲电压电复合材料，由于材料的 不对称结构，施加在结构两个表面的力或电压在材料中形成应力或电场梯度，材料显示出 表观压电性能。但这种材料产生的表观压电响应小，而且这种压电复合材料的制备工艺复 杂。另一种是弯曲型挠曲电压电复合材料设计，复合材料通过钨金属丝将施加在金属平板 上的力传递到长条形陶瓷片上，将所施加的力转变为长条形材料的弯曲变形，材料中产生 由于弯曲变形而产生的应变梯度，材料表现出比较强的表观压电性能。这种材料要求是长 条的长度要远大于材料的宽度和厚度，导致材料的使用范围缩小和材料的承载能力变小。
【发明内容】
[0008] 本公开的一个方面涉及一种挠曲电压电复合材料，所述复合材料包括：片状介电 材料；两个电极，所述片状介电材料夹在所述两个电极之间，形成带有电极的片状介电材 料；环状支撑物；以及平板；其中所述环状支撑物位于所述平板与所述带有电极的片状介 电材料之间，并与所述平板和所述带有电极的片状介电材料的边缘接触。
[0009] 在本公开的一些实施方案中，所述环状支撑物为圆环形、方环形或多边环形。
[0010] 在本公开的一些实施方案中，所述片状介电材料的宽高比为大于1，优选大于5， 再优选大于10,最优选10至100。
[0011] 在本公开的一些实施方案中，所述环状支撑物与所述带有电极的片状介电材料接 触的面积占所述带有电极的片状介电材料的总面积的小于99 %，优选小于50 %，再优选小 于10 %，最优选小于1 %。
[0012] 在本公开的一些实施方案中，所述带有电极的片状介电材料的厚度为小于100厘 米，优选小于1厘米，再优选小于1毫米，最优选为1纳米至1毫米。
[0013] 在本公开的一些实施方案中，所述环状支撑物的高度为小于100厘米，优选小于1 厘米，再优选小于1毫米，最优选为1纳米至1毫米。
[0014] 在本公开的一些实施方案中，所述片状介电材料为介电系数大于2的介电材料； 优选为含铋的铁电材料、含铅的铁电材料、钛酸钡基铁电材料、SrTiO3基铁电材料、（Na，K， Li)NbO3基铁电材料、或具有钨青铜结构的铁电材料。
[0015] 在本公开的一些实施方案中，所述电极材料为派射金电极、派射钼电极、烧银电 极、溅射银电极、铝电极或钯电极。
[0016] 本公开的另一个方面涉及一种产生压电响应的方法，所述方法包括对根据本公开 所述的挠曲电压电复合材料中的带有电极的片状介电材料一侧施加力，使得所述片状介电 材料弯曲或类弯曲变形，在所述片状介电材料的厚度方向产生应变梯度和挠曲电响应，从 而产生压电效应。
[0017] 在本公开的一些实施方案中，所施加的力为点力、平面力或均匀加力。
[0018] 在制备传统的压电复合材料时，需要材料中至少一个组分是压电材料。本发明提 出的复合材料结构是基于材料的挠曲电效应，不需要材料中任何组分为压电材料。而且传 统铁电压电材料受晶体结构的限制，在一定的温度下的相变导致压电性能消失，而挠曲电 效应存在于所有的介电材料，所以我们提出的压电复合材料能够在更高的温度下使用。与 现有的挠曲电压电材料相比，我们提出的结构中材料的承载能力或者产生的表观压电响应 也有一定的提尚。
【附图说明】
[0019] 图1是挠曲电压电复合材料的截面图；
[0020] 图2是复合材料在加力杆作用下产生表观压电响应；并且
[0021] 图3是复合材料在均匀力作用下产生表观压电响应。
【具体实施方式】
[0022] 本公开的一些实施方案提出了一种具有简单结构的挠曲电压电复合材料的设计， 这种复合材料由一个具有片状形状的介电材料（圆形或方形），一个支撑片状介电材料边 缘环状支撑物和支撑环状支撑物的平板组成。
[0023] 在本公开的一些具体实施方案中，通过对复合材料的结构进行一定的设计，使得 在材料