本發(fā)明涉及磁電復合材料領域，具體而言，涉及一種應用于能量采集的磁電復合材料結構及其制備方法。

背景技術：

磁致伸縮材料是一類基于磁能與機械能之間相互轉換的智能材料，可以將環(huán)境中電磁能轉換成機械能。壓電晶體材料是一類基于機械能與電能之間相互轉換的智能材料，可以捕獲環(huán)境中不被利用的振動能或聲波能等轉換成可利用的電能，實現(xiàn)能源的循環(huán)利用。

磁電復合材料材料是一類以機械能為能量傳遞介質，基于磁能與電能之間轉換的智能結構復合材料，由具備機械能與電能之間互相轉換的壓電材料和磁能與機械能之間轉換的磁致伸縮材料復合而成。由于其獨特的磁電耦合性能，且具備磁電轉換效率高、易于集成和可設計性強等優(yōu)點，磁電復合材料在驅動、傳感、結構健康監(jiān)測和能量采集等眾多領域具有廣泛的應用前景。

在無線通訊高速發(fā)展的今天，環(huán)境中充斥著大量無線通訊基站，由此產(chǎn)生大量的不被充分利用的電磁波，利用磁電復合材料可以實現(xiàn)將空間中電磁能轉變成可以用電能，并加以重復利用，可以節(jié)約能源，同時降低電磁污染。

將磁電復合材料置于交變的磁場中，由于磁致伸縮效應，復合材料中的磁致伸縮材料產(chǎn)生周期性伸縮振動，并將振動通過應力傳輸至壓電晶體材料，從而使復合材料中的壓電晶體材料也產(chǎn)生相應的伸縮振動，通過壓電效應使壓電晶體材料產(chǎn)生電能，實現(xiàn)磁能與電能之間的轉換，達到同時采集環(huán)境中振動能和磁能轉并換成可利用電能之目的。然而，現(xiàn)有磁電復合材料，降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間容易發(fā)生脫粘和脆裂，降低其使用壽命。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種應用于能量采集的磁電復合材料，以解決現(xiàn)有磁電復合材料中的降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間容易發(fā)生脫粘和脆裂、使用壽命低的問題。所述的應用于能量采集的磁電復合材料，利用聚合物相實現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結和應力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風險，進一步提高復合材料的服役周期和穩(wěn)定性。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的應用于能量采集的磁電復合材料的制備方法，該方法對擠制成型模具進行設計或機械加工打孔，可以很容易制備出孔隙形狀、尺寸及體積分數(shù)系列化的蜂窩狀磁致伸縮材料，采用模壓成型技術或切割法，可以很容易制備出與蜂窩狀磁致伸縮材料結構匹配的柱狀壓電晶體材料陣列，進而實現(xiàn)結構與性能系列化的磁電復合材料的批量化制備，具有方便、簡單、易于操作等優(yōu)點，適合批量生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：

一種應用于能量采集的磁電復合材料，包括磁化的磁致伸縮材料層和極化的壓電晶體材料柱，所述磁致伸縮材料層具有蜂窩狀排列的通孔結構，所述壓電晶體材料柱貫穿設置于所述磁致伸縮材料層的通孔內，所述壓電晶體材料柱的兩端與所述磁致伸縮材料層的上下兩個表面齊平，所述壓電晶體材料柱與所述磁致伸縮材料層之間填充有聚合物填充層，所述壓電晶體材料柱的兩端鍍覆電極。

進一步地，所述磁致伸縮材料層的通孔的分布為m×n的列陣，其中，m≥2，n≥2。

進一步地，所述磁致伸縮材料層的厚度不小于50μm；

更進一步地，所述磁致伸縮材料層的材料為鐵氧體磁致伸縮材料、金屬磁致伸縮材料或者巨磁致伸縮材料中的一種。

進一步地，所述壓電晶體材料柱的橫截面形狀與所述通孔的橫截面形狀相匹配；

進一步地，所述通孔的橫截面為圓形、矩形或正多邊形的一種。

進一步地，所述壓電晶體材料柱與所述通孔同軸設置。

進一步地，所述磁致伸縮材料層的橫截面積不小于1cm²；所述通孔的橫截面積不小于300μm²。

進一步地，所述壓電晶體柱的材料為壓電陶瓷材料或者壓電單晶材料中的一種；

更進一步地，所述壓電陶瓷材料為pzt、bt或者knn體系中的一種；

更進一步地，所述壓電單晶材料pmnt或者pznt體系中的一種。

進一步地，所述聚合物填充層的厚度不小于50μm；

更進一步地，所述聚合物填充層的材料為熱固性樹脂，優(yōu)選的熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂或酚醛樹脂中的一種。

進一步地，所述的電極層的材料為cu、au或ag中的一種。

如上所述的應用于能量采集的磁電復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將磁致伸縮材料層制備為蜂窩狀結構，將壓電晶體材料制備為與所述蜂窩狀結構對應的柱體列陣結構，且列陣中每個壓電晶體材料柱與蜂窩狀的磁致伸縮材料層中的柱型通孔一一對應；

(2)、將壓電晶體材料柱的列陣嵌入蜂窩狀磁致伸縮材料層的柱型通孔中，且所述柱型通孔與壓電晶體材料柱的軸心位置重疊，將聚合物膠液填充入壓電晶體材料柱與磁致伸縮材料層之間的空隙之中，經(jīng)真空固化獲得磁電復合結構；

(3)、將固化后的磁電復合結構沿厚度方向進行切割，獲得片狀磁電復合材料，在壓電晶體材料柱的兩個底面鍍覆電極層，并分別對磁致伸縮材料和壓電晶體材料進行磁化和極化處理，即該應用于能量采集的磁電復合材料結構；

進一步地，在步驟(1)中，所述將磁致伸縮材料層制備為蜂窩狀結構的過程中，采用的制備方法為擠出成型法或者采用機械加工打孔的方法；

進一步地，所述將壓電晶體材料制備為與所述蜂窩狀結構對應的柱體列陣結構的過程中，采用的制備方法為模壓法或切割法。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本申請所提供的應用于能量采集的磁電復合材料，利用聚合物相實現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結和應力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風險，進一步提高復合材料的服役周期和穩(wěn)定性。

(2)本申請所提供的應用于能量采集的磁電復合材料的制備方法，具有方便、簡單、易于操作等優(yōu)點，適合批量生產(chǎn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的應用于能量采集的磁電復合材料的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的應用于能量采集的磁電復合材料的結構示意圖；

圖3為圖1所示的應用于能量采集的磁電復合材料涂覆電極后的結構示意圖；

附圖標記：

1-磁致伸縮材料層；2-通孔；

3-壓電晶體材料柱；4-填充層；

5-電極。

具體實施方式

下面將結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，但是本領域技術人員將會理解，下列所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

實施例

一種應用于能量采集的磁電復合材料，包括磁化的磁致伸縮材料層1和極化的壓電晶體材料柱3，所述磁致伸縮材料層1具有蜂窩狀排列的通孔2結構，所述壓電晶體材料柱3貫穿設置于所述磁致伸縮材料層1的通孔2內，所述壓電晶體材料柱3的兩端與所述磁致伸縮材料層1的上下兩個表面齊平，所述壓電晶體材料柱3與所述磁致伸縮材料層1之間填充有聚合物填充層4，所述壓電晶體材料柱3的兩端鍍覆電極5。

本申請所提供的應用于能量采集的磁電復合材料，磁致伸縮材料層1制備為蜂窩狀，其通孔2可以為任意形狀，也可以為單一特定形狀。通孔2的分布可以為均勻分布、列陣分別和非均勻任意分布。通孔2內置等高的壓電晶體材料柱3，壓電晶體材料柱3的形狀也可以任意設置，可以為特定形狀，也可以為不規(guī)則形狀。兩種材料之間設置有機聚合物填充層4。

進一步地，所述磁致伸縮材料層1的通孔2的分布為m×n的列陣，其中，m≥2，n≥2。

由圖1可見，磁致伸縮材料層1的通孔2設置優(yōu)先為列陣設置。

進一步地，所述磁致伸縮材料層1的厚度不小于50μm；

更進一步地，所述磁致伸縮材料層1的材料為鐵氧體磁致伸縮材料、金屬磁致伸縮材料或者巨磁致伸縮材料中的一種。

磁致伸縮材料層1不能過薄，否則壓電晶體材料柱3容易與之脫離。并且對其材料進行進一步的優(yōu)選。

進一步地，所述壓電晶體材料柱3的橫截面形狀與所述通孔2的橫截面形狀相匹配。如圖1所示。

進一步地，所述通孔2的橫截面為圓形、矩形或正多邊形的一種。

如圖2所示，通孔2和壓電晶體材料柱3的截面也可以為多邊形(正方形)等。

進一步地，所述壓電晶體材料柱3與所述通孔2同軸設置。

壓電晶體材料柱3與通孔2同軸設置，如圖2和圖3所示。

進一步地，所述磁致伸縮材料層1的橫截面積不小于1cm²；所述通孔2的橫截面積不小于300μm²。

磁致伸縮材料層1的橫截面積不小于1cm²，通孔2的橫截面積不小于300μm²，否則無法設置足夠的壓電晶體柱。

進一步地，所述壓電晶體柱的材料為壓電陶瓷材料或者壓電單晶材料中的一種；

更進一步地，所述壓電陶瓷材料為pzt、bt或者knn體系中的一種；

更進一步地，所述壓電單晶材料pmnt或者pznt體系中的一種。

進一步地，所述聚合物填充層4的厚度不小于50μm；

聚合物填充層4太薄容易造成磁致伸縮材料與壓電晶體材料開裂，不能起到很好的粘貼和固定作用。

更進一步地，所述聚合物填充層4的材料為熱固性樹脂，優(yōu)選的熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂或酚醛樹脂中的一種。

進一步地，所述的電極5層的材料為cu、au或ag中的一種。

如圖3所示，在壓電晶體材料柱3的兩端鍍覆電極5，電解材料可以采用cu、au或ag中的一種。

實施例1

本實施例所提供的應用于能量采集的磁電復合材料，以pzt體系壓電晶體材料，cofe2o4體系磁致伸縮材料，其制備方法具體包括以下步驟：

(1)鐵氧體cofe2o4為原材料，采用傳統(tǒng)的固相合成法制備截面為圓形的蜂窩狀磁致伸縮材料，直徑和高度分別為32mm和30mm，孔隙截面為圓形，孔隙直徑為4mm，孔隙數(shù)目為25，孔隙為5×5的列陣，周期性均勻分布；

(2)以pzt壓電陶瓷粉體為原材料，采用模壓法制備壓電陶瓷陣列，陶瓷柱直徑和高度分別為3mm和30mm，陣列中陶瓷柱數(shù)目25，位置與蜂窩狀磁致伸縮材料孔隙共軸；

(3)將步驟(2)所得的壓電陶瓷陣列嵌入到步驟(1)所制備的蜂窩狀磁致伸縮材料的孔隙中，在壓電陶瓷柱與磁致伸縮材料的間隙之中澆注環(huán)氧樹脂結構膠，并于真空烘箱中進行固化，及獲得磁電復合結構；

(4)將步驟(3)所制備的磁電復合結構沿厚度方向進行切割，調整切割的刀距，使切割后片狀磁電復合結構厚度為3mm，采用磁控濺射法在樣品兩個切割面中壓電陶瓷的兩個節(jié)目鍍覆cu電極，分別對壓電陶瓷和磁致伸縮材料進行極化和磁化處理，即獲得磁電復合材料，樣品直徑32mm，厚度3mm，壓電陶瓷體積分數(shù)為22％。

實施例2

本實施例所提供的應用于能量采集的磁電復合材料，以pmns體系壓電晶體材料，tbfe2體系磁致伸縮材料，其制備方法具體包括以下步驟：

(1)以tbfe2合金為原材料，采用粉末冶金法制備截面為圓形的蜂窩狀磁致伸縮材料，直徑和高度分別為34mm和30mm，孔隙截面為矩形，孔隙邊長為4mm，孔隙數(shù)目為25，孔隙為5×5的列陣，周期性均勻分布；

(2)以pmns壓電陶瓷粉體為原材料，采用干壓成型法制備壓電陶瓷塊體，采用切割法將壓電陶瓷塊體制備成壓電陶瓷陣列，陣列中陶瓷柱界面為矩形，邊長和高度分別為2.5mm和30mm，陣列中陶瓷柱數(shù)目25，位置與蜂窩狀磁致伸縮材料孔隙共軸；

(3)將步驟(2)所得的壓電陶瓷陣列嵌入到步驟(1)所制備的蜂窩狀磁致伸縮材料的孔隙中，在壓電陶瓷柱與磁致伸縮材料的間隙之中澆注環(huán)氧樹脂結構膠，并于真空烘箱中進行固化，及獲得磁電復合結構；

(4)將步驟(3)所制備的磁電復合結構沿厚度方向進行切割，調整切割的刀距，使切割后片狀磁電復合結構厚度為3mm，采用絲網(wǎng)印刷法在兩個切割面中壓電陶瓷的兩個截面處鍍覆ag電極，分別對壓電陶瓷和磁致伸縮材料進行極化和磁化處理，即獲得磁電復合材料，樣品直徑34mm，厚度3mm，壓電陶瓷體積分數(shù)為17％。

綜上所述，本申請所提供的應用于能量采集的磁電復合材料，利用聚合物相實現(xiàn)壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間的粘結和應力傳輸作用，具有柔韌性高等優(yōu)點，可以有效降低壓電晶體材料與磁致伸縮材料之間發(fā)生脫粘和脆裂的風險，進一步提高復合材料的服役周期和穩(wěn)定性。本申請所提供的應用于能量采集的磁電復合材料的制備方法，該方法對擠制成型模具進行設計或機械加工打孔，可以很容易制備出孔隙形狀、尺寸及體積分數(shù)系列化的蜂窩狀磁致伸縮材料，采用模壓成型技術或切割法，可以很容易制備出與蜂窩狀磁致伸縮材料結構匹配的柱狀壓電晶體材料陣列，進而實現(xiàn)結構與性能系列化的磁電復合材料的批量化制備，具有方便、簡單、易于操作等優(yōu)點，適合批量生產(chǎn)。

盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應意識到，以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；本領域的普通技術人員應當理解：在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍；因此，這意味著在所附權利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內的所有這些替換和修改。