壓電陶瓷纖維的製法的製作方法

2023-06-04 14:07:41 1

專利名稱：壓電陶瓷纖維的製法的製作方法
技術領域：
本發明與壓電陶瓷纖維有關，特別有關壓電陶瓷纖維的製法。
背景技術：
所謂壓電效應有兩種，即正壓電效應及逆壓電效應。當壓電體受到電場作用時，電偶極矩會被拉長，壓電體會沿電場方向伸長，即將電能轉換為機械能。反之，對壓電體施加壓力，體內的電偶極矩會隨材質的壓縮而變短，此時壓電體內為抵抗這種趨勢，將產生電壓以保持原狀態。因此，壓電材料具有機械能與電能之間來迴轉換的特性。故壓電材料廣泛地使用於運動感應器、致動器、轉換器、微定位器、振動檢測以及超音波產生器等用途。傳統壓電材料多為塊材型式，其質地堅硬易碎，機電轉換輸出受到限制，而局限了壓電材料的發展運用。若能將壓電材料纖維化，藉由纖維化後的高長寬比，以提高其形變能·力而大幅增加其壓電特性、靈敏度與機電耦合係數，尤其纖維化後的壓電材料再結合高彈性樹脂材料形成的壓電復材可大幅提升其壓電性與機械性能，進一步拓展壓電材料的運用領域。近來，有研究開始將壓電陶瓷如鈦酸鋇(BaTi03)、鋯鈦酸鉛(PZT)纖維化，再將纖維集束與樹脂灌注形成纖維復材，接著切割及研磨纖維復材成復材薄片，該復材薄片可用於製作寬音域的薄形喇叭。目前，已有數種陶瓷纖維的製法被應用在壓電陶瓷纖維的製造上。其中常見的溶膠-凝膠(sol-gel)法，例如美國專利US 5945029，該方法將有機金屬鹽類溶解在有機溶劑中；再加入蒸餾水使有機金屬鹽類進行水解、縮合反應形成溶膠；接著利用具有至少一個孔洞的紡絲器，將溶膠擠壓成溶膠纖維；再藉由乾燥工藝將溶膠纖維內所含的水蒸發而轉變為凝膠纖維(生胚)；及進行熱解工藝充分去除凝膠纖維內所含的有機溶劑；最後對凝膠纖維進行燒結，製成壓電陶瓷纖維。該製造方法的主要缺點是步驟複雜且所利用的有機金屬鹽類與有機溶劑通常帶有毒性。為了解決溶劑問題，需在工藝中設置抽氣設備及後續廢氣處理設備，因而增加設備成本及工藝的複雜性。此外，美國專利US 6451059提出一種膠狀懸浮液紡絲的方法(Viscoussuspension spinning process, VSSP),首先將陶瓷粉末在含有娃酸鹽界面活性劑的水溶液中磨漿形成漿料，接著將漿料倒入溶解有人造纖維的鹼液中相互混合成混合物，然後藉由具有100個孔洞的紡絲器，將混合物倒入硫酸溶液內凝固以製造陶瓷纖維。該方法的缺點在於需要大量使用硫酸溶液，且會導致硫酸殘留在陶瓷纖維中而影響陶瓷纖維的特性。另外，有提出利用擠壓成型法製造壓電陶瓷纖維。該方法將壓電陶瓷粉末與粘結劑及交聯劑水溶液均勻混合，以形成聚合物膠體。接著，將聚合物膠體藉由擠型機擠壓成型以形成陶瓷纖維生胚。然後，進行乾燥及燒結步驟，即形成壓電陶瓷纖維。雖然該方法工藝簡單、成本低廉且不會造成環境汙染，但是仍有擠壓困難、纖維的可塑性不佳等缺點。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種壓電陶瓷纖維的製法，該製法能夠順利擠壓成型，且擠出的壓電陶瓷纖維的可塑性良好。為達到上述目的，本發明提供一種壓電陶瓷纖維的製法，該製法包括以下步驟混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料；對漿料進行擠壓成型步驟，以形成壓電陶瓷纖維生胚；及對壓電陶瓷纖維生胚進行燒結步驟，以形成壓電陶瓷纖維。進一步地，所述潤滑劑為丙三醇或二丙二醇。進一步地，所述潤滑劑的重量百分比介於O. 5 2. 5wt%。進一步地，所述增塑劑選自由聚乙烯乙二醇、1，3 丁二醇、1，4 丁二醇及苯醇所組成的族群。進一步地，所述增塑劑的重量百分比介於O. 5 2. 5wt%。
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進一步地，所述壓電陶瓷粉末具有化學式ΑΒ03。化學式ABO3中，A為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、銀(strontium)、鉀或鋰，B 為鈦、錯(zirconium)、猛、鈷、銀(niobium)、鐵、鋅、鎂、乾(yttrium)、錫、鎳或鶴。進一步地，所述壓電陶瓷粉末的尺寸介於O. I I. O微米。進一步地，所述壓電陶瓷粉末的重量百分比介於70 95wt%。進一步地，所述粘結劑為聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇或聚丙烯酸酯。進一步地，所述粘結劑的重量百分比介於3. 5 20wt%。進一步地，所述交聯劑為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽或鋁酸鹽的水溶液。進一步地，所述交聯劑為濃度介於O. 005 O. 05M的水溶液。進一步地，所述交聯劑的重量百分比介於O. 5 5wt%。進一步地，所述擠壓成型步驟的擠壓壓力介於I 50kg/cm2。進一步地，所述壓電陶瓷纖維生胚的直徑介於75 1，000微米。進一步地，所述燒結步驟的溫度介於1，000 1，3000C。進一步地，該製法還包括在所述燒結步驟前進行乾燥步驟。進一步地，所述乾燥步驟的溫度介於80 120°C。相較於現有技術，本發明的製法主要是利用添加潤滑劑及增塑劑，可順利擠壓成型，且擠出的纖維的可塑性良好。本發明具有工藝簡單、成本低廉且不會造成環境汙染的優點，可應用於微米級尺寸壓電陶瓷纖維或其它陶瓷纖維的製作。


圖I為表示本發明的較佳實施例中壓電陶瓷纖維的製法的流程圖。附圖標記說明100 110 步驟
具體實施例方式有關本發明的詳細說明及技術內容，將配合

如下，然而所附附圖僅作為說明用途，並非用於局限本發明。請參照圖1，圖I表示本發明的較佳實施例中壓電陶瓷纖維的製法的流程圖。首先，請參考圖I中的步驟100，使用混拌機均勻混合重量百分比為70wt% _95被％的壓電陶瓷粉末、3. 5 20wt%的粘結劑、O. 5 5wt%的交聯劑水溶液、O. 5 2. 5wt%的潤滑劑與O. 5 2. 5wt%的增塑劑，以形成漿料。壓電陶瓷粉末可具有化學式ΑΒ03。化學式ABO3中，A可為鉛、鋇、鑭(lanthanum)、銀(strontium)、鉀或鋰，B 可為鈦、錯(Zirconium)^IijiJjg (niobium)、鐵、鋅、鎂、宇乙(yttrium)、錫、鎳或鶴。適用於本實施例的壓電陶瓷粉末的尺寸可介於O. I I. O微米,其重量百分比可介於70 95wt %。合適的粘結劑可為聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇或聚丙烯酸酯。粘結劑的重量百分比可介於3. 5 20wt%。交聯劑可為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽或鋁酸鹽的水溶液。硼酸鹽可包括硼 酸鈉或硼酸鉀。磷酸鹽可包括磷酸鈉、磷酸鉀或磷酸錳。矽酸鹽可包括矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸鋁。鋁酸鹽可包括鋁酸鈉或鋁酸鉀。交聯劑可為濃度介於O. 005 O. 05M的水溶液，其重量百分比介於O. 5 5wt%。當交聯劑溶於水中時產生帶電荷的鹼性氫氧化物可與粘結劑形成立體網狀交聯作用，同時將陶瓷粉末束覆在其中，在自發性的脫水反應後形成緊密的立體網狀複合結構。適當的潤滑劑可為丙三醇或二丙二醇，其重量百分比可介於O. 5 2. 5wt%。適量的潤滑劑可促進擠型，避免漿料沾粘於後續步驟所使用擠出機的內壁及孔洞。增塑劑可選自由聚乙烯乙二醇、1，3 丁二醇、1，4 丁二醇及苯醇所組成的族群。增塑劑的重量百分比介於O. 5 2. 5wt%。適量的增塑劑可改善擠出的纖維的可塑性，以達到所需規格。接著，步驟102利用三滾筒機將漿料中所含的粉末滾壓成細微粉末。接著步驟104利用擠出機進行擠壓成型，以形成所需規格的壓電陶瓷纖維生胚。擠壓成型的擠壓壓力可介於I 50kg/cm2。壓電陶瓷纖維生胚的直徑可介於75 1，000微米。接著，步驟106將纖維生胚經由烘乾爐進行乾燥處理，去除纖維生胚內所含的水分。乾燥步驟的溫度介於80 120°C。接著，步驟108在乾燥後的纖維生胚表面上塗敷鋯粉，增加表面耐磨度，並將其放置在氧化鋁基板上再放入坩鍋中。接著步驟110將放置於坩鍋中的纖維生胚經由燒結爐燒結後成為纖維成品。燒結步驟的溫度可介於1，000 1，300°C。以上所述，僅為本發明的較佳實施例的具體說明，並非用以局限本發明的保護範圍，其它任何等效變換均應屬於本申請的權利要求範圍。
權利要求
1.一種壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，該製法包括以下步驟 混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料； 對該漿料進行擠壓成型步驟，以形成壓電陶瓷纖維生胚 '及 對該壓電陶瓷纖維生胚進行燒結步驟，以形成壓電陶瓷纖維。
2.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述潤滑劑為丙三醇或二丙二醇。
3.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述潤滑劑的重量百分比介於 0. 5 2. 5wt%0
4.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述增塑劑選自由聚乙烯乙二醇、1，3 丁二醇、1，4 丁二醇及苯醇所組成的族群。
5.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述增塑劑的重量百分比介於 0. 5 2. 5wt%0
6.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述壓電陶瓷粉末具有化學式AB03。化學式ABO3中,八為鉛、鋇、鑭(Ianthanum)Ji (strontium)、鉀或鋰,B為鈦、錯(zirconium)、猛、鈷、銀(niobium)、鐵、鋅、鎂、乾(yttrium)、錫、鎳或鶴。
7.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述壓電陶瓷粉末的尺寸介於0. I 1.0微米。
8.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述壓電陶瓷粉末的重量百分比介於70 95wt%。
9.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述粘結劑為聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇或聚丙烯酸酯。
10.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述粘結劑的重量百分比介於3. 5 20wt%。
11.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述交聯劑為含硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽或鋁酸鹽的水溶液。
12.如權利要求11所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述交聯劑為濃度介於0.005 0. 05M的水溶液。
13.如權利要求11所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述交聯劑的重量百分比介於0. 5 5wt %。
14.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述擠壓成型步驟的擠壓壓力介於I 50kg/cm2。
15.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述壓電陶瓷纖維生胚的直徑介於75 1,000微米。
16.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述燒結步驟的溫度介於1,000 1，300。。。
17.如權利要求I所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，該製法還包括在所述燒結步驟前進行乾燥步驟。
18.如權利要求17所述的壓電陶瓷纖維的製法，其特徵在於，所述乾燥步驟的溫度介於 80 120°C。
全文摘要
本發明有關一種壓電陶瓷纖維的製法，該製法包括以下步驟混合壓電陶瓷粉末、粘結劑、交聯劑、潤滑劑及增塑劑，以形成漿料；對漿料進行擠壓成型步驟，以形成壓電陶瓷纖維生胚；及對壓電陶瓷纖維生胚進行燒結步驟，以形成壓電陶瓷纖維。
文檔編號C04B35/634GK102786307SQ20121002204
公開日2012年11月21日 申請日期2012年1月31日 優先權日2011年5月20日
發明者莊武松, 張有勝, 魏志漳 申請人:鋇泰電子陶瓷股份有限公司