一種pzt壓電纖維及其製備方法

2023-12-01 05:53:41

專利名稱：一種pzt壓電纖維及其製備方法
技術領域：
本發明涉及功能性陶瓷纖維領域，具體為一種新型鋯鈦酸鉛(PZT)壓電纖 維及其製造方法。
背景技術：
壓電纖維因具有較高的壓電應變常數和厚度機電耦合係數、低的機械品質 因數和聲阻抗等優異性能，在傳感器、驅動器、超聲傳感器裝置以及汽車、航
空等領域有著很大的潛在應用。目前，壓電纖維的製備方法主要包括溶膠凝
膠法，懸浮磁粉紡絲法和塑性聚合物法。美國專利U.S. Pat.No.4921328和德國 R.Harsch等採用溶膠凝膠法製備了 PZT纖維，直徑在50-150 u m，其不足之處 在於該方法由於固相含量低，製備的壓電纖維內部結構形成明顯的核殼結構， 外層非常緻密，而內部有較多空隙，導致纖維均勻性下降，且纖維形狀不好控 制，從而引起壓電效應明顯下降。美國Advanced Cerametrics公司採用懸浮磁粉 紡絲法製備了橫斷面尺寸在S0 300ym的PZT纖維，但由於該方法使用大量 的有機高分子作為載體，在熱解和燒結過程中，高分子的揮發會產生微孔。另 外，懸浮體的粘度較大，很難控制直徑較小的纖維。周靜等採用塑性聚合物法 製備直徑為300um的PZT陶瓷纖維，該方法的不足在於聚合物中添加一定量 的聚乙烯醇(PVA)，排膠時在纖維內部留下部分微孔和灰分，導致纖維緻密度 下降。

發明內容
本發明為了解決上述現有技術存在的不足，提供了一種PZT壓電纖維及其 製備方法。
本發明解決所述技術問題的技術方案是一種PZT壓電纖維，是通過溶膠
-粉末共混擠出法製備，具體是將溶膠和PZT粉末按質量比為1:1 1:9均勻混合， 然後將混合物在擠出機上6(TC下擠出一定直徑的纖維，乾燥後燒結，得到PZT 壓電纖維；其中所說的溶膠中包含醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯、水、醋酸， 溶膠的濃度為0.3mol/l，醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯的質量比為110:56:44，水 與醋酸的體積比為1:0.5 1:3 。
本發明所說的PZT的壓電纖維的製備方法，其特徵在於，將溶膠和PZT粉 末按質量比為1:1 1:9均勻混合，然後將混合物在擠出機上60。C下擠出一定直 徑的纖維，乾燥後燒結，得到PZT壓電纖維；其中所說的溶膠中包含醋酸鉛、 硝酸鋯、鈦酸四丁酯、水、醋酸，溶膠的濃度為0.3mol/l,醋酸鉛、硝酸鋯、鈦 酸四丁酯的質量比為110:56:44，水與醋酸的體積比為1:0.5 1:3。
本發明PZT壓電纖維的製備方法具體是按下列步驟進行
(1) PZT溶膠製備將質量比例為110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁 酯分別在有機溶劑中進行超聲溶解，並加入適量的穩定劑，將三者的前驅體溶 液混合，在8(TC低溫加熱和超聲振蕩條件下，在其中加入體積比為1:0.5 1:3 的水和醋酸調節溶液水解度，調整溶膠的濃度為0.3mol/l，並在磁力攪拌下使混 合物混合均勻，獲得所述的溶膠；
(2) 溶膠一粉末混合體系的製備將溶膠和PZT粉末按質量比為1:1 1:9 混合，在8(TC低溫加熱和均勻攪拌下，再利用研缽研磨數分鐘，或用軋膜機進 行軋制，使得混合物充分混合均勻，並具有合適的可塑性；
(3) PZT壓電纖維的製備將上述(2)所得可塑性混合物置於合適的預熱 模具中，在一定壓力和6(TC低溫加熱下，在擠出機上進行纖維素坯的製備，將 纖維素坯放置在平板玻璃上室溫乾燥，排除纖維表面的吸附水；
(4) PZT壓電纖維的熱處理將室溫乾燥後的纖維，在低溫乾燥箱中進行
乾燥，然後進行熱處理，得到PZT壓電纖維。
本發明PZT壓電纖維的製造方法中，所述的溶膠中溶劑和穩定劑為常用的 有機物，溶劑如乙二醇單甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇，穩定劑如乙醯丙酮、聚丙 烯酸、聚丙烯酸鈉等。
本發明新型PZT壓電纖維的製造方法中，所述溶膠粉末體系中，粉末均為 常用PZT粉，如PZT5，其中Zr:Ti=56:44。
本發明PZT壓電纖維的製造方法中，所述水和醋酸比為1:0.5 1:3，但水和 醋酸比為1: 0.65 1:1.5時為理想範圍，若比例過大，則由於水的含量過高，溶 膠的水解速度較快，會形成凝膠失去可塑性；反之，比例過小，醋酸的含量過 高，雖然有利於抑制水解的進行，但是在乾燥和燒成的過程中，醋酸會揮發， 擴大了纖維的收縮，同時還留下了大量的氣孔，降低了纖維的緻密度和強度， 因此要求水和醋酸的比例在所述的範圍內。
本發明PZT壓電纖維的製造方法中，所述溶膠和PZT粉末比為1:1 1:9， 固相含量達到了 50% 90%，理想比例在1:4 1:8，當比例過大時，固相含量 較低，混合物處於流變態，粘度過低，不能形成纖維，即使形成纖維也易變形， 反之比例過低，混合物失去了可塑性，無法擠出連續均勻的長纖維，因此，要 求溶膠和PZT粉末的比例在所述範圍內。
本發明PZT壓電纖維的製造方法步驟(3)中，擠出的壓力是常規的，優選 5 20MPa。採用6(TC低溫對模具加熱，目的是提高纖維的擠出速率和保持混合 物的可塑性，
本發明PZT壓電纖維的製造方法步驟(4)，具體可以是將室溫乾燥後的 纖維，在80 10(TC乾燥箱中進行乾燥，然後排列在平板陶瓷片上，周圍撒上含
鉛氣氛料，用坩堝蓋住，進行熱處理。
具體的熱處理過程為1.室溫 20(TC，升溫速率rC/min， 200。C保溫lh， 主要是纖維前驅體中水分及部分有機物的揮發；2. 200~600°C，升溫速率2°C /min， 60(TC保溫1 2h，主要為有機物的揮發和分解以及PZT纖維的晶化；3, 600 "C 燒結溫度，升溫速率20(TC/h，主要為晶粒長大，纖維緻密化和氣孔的排出， 保溫2h。
與現有的製備方法相比，本發明的突出優點採用PZT溶膠代替傳統溶膠 凝膠法中的有機粘結劑，因此避免了纖維在乾燥和排膠過程中導致纖維的變形 以及有機粘結劑排除後留下微孔，從而提高了纖維素坯的緻密度，降低了纖維 的收縮率，改善了纖維的收縮變形。其次，本發明採用溶膠一粉末共混擠出法 工藝，此法改善了傳統擠出法中加入大量有機物，導致擠出的纖維彎曲變形的
缺陷，同時可以精確控制纖維的直徑、長度和纖維的收縮率。本發明PZT壓電 纖維是具有單一鈣鈦礦相結構，緻密度高，纖維光滑，直徑80 1000um，具有 高的壓電性能，能用於傳感/驅動器件中1-3壓電纖維複合材料的PZT壓電纖維。


圖1為PZT壓電纖維在124(TC燒結的X射線衍射譜圖。圖1中橫坐標為衍 射角，縱坐標為衍射強度。
圖2為PZT壓電纖維斷面在124(TC燒結的掃描電鏡圖。
具體實施例方式
在本發明中所使用的術語，除非有另外說明， 一般具有本領域普通技術人員 通常理解的含義。
下面結合具體實施例，並參照數據進一步詳細地描述本發明。應理解，這些 實施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的範圍。在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規 方法。所用試劑的來源、商品名以及有必要列出其組成成分者，均在首次出現 時標明，其後所用相同試劑如無特殊說明，均以首次標明的內容相同。
實施例h
(1) 取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇 單甲醚均勻溶解混合，加入體積比1:0.65的水和醋酸及少量乙醯丙酮做穩定劑， 在磁力攪拌作用下調整溶液濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，
(2) 按溶膠PZT粉末質量比1:4稱取80份PZT粉末，在80。C低溫加熱 和均勻攪拌下，再利用研缽研磨數分鐘，或用軋膜機進行軋制，使得混合物充 分混合均勻，並具有合適的可塑性；
(3) PZT壓電纖維的製備將上述(2)所得可塑性混合物置於合適的預 熱模具中，在5 20MPa壓力和60。C低溫加熱下，在擠出機上進行纖維素坯的制 備，將纖維素坯放置在平板玻璃上室溫乾燥，排除纖維表面的吸附水；
(4) 乾燥後進行熱處理，在1200。C燒成，得到PZT壓電纖維。 經測定，壓電纖維的密度為6.1g/cm3，徑向收縮率為17.4%。
實施例2:
取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇乙醚均 勻溶解混合，加入體積比1:1的水和醋酸及少量聚丙烯酸做穩定劑，在磁力攪拌 作用下調整溶液濃度濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，按溶膠PZT粉末質量比1:5 稱取80份PZT粉末，均勻混合製備具有可塑性的溶膠粉末體系。在擠出機上 6(TC下擠出一定直徑的纖維，乾燥後在124(TC燒成，得到乾燥纖維，經測定， 壓電纖維的密度為6.4g/cm3，徑向收縮率為17.1%。
實施例3:
取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇單甲 醚均勻溶解混合，加入體積比1:0.5的水和醋酸及少量聚丙烯酸鈉做穩定劑，在 磁力攪拌作用下調整溶液濃度濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，按溶膠PZT粉末質 量比1:1稱取80份PZT粉末，均勻混合製備具有可塑性的溶膠粉末體系。在擠 出機上60。C下擠出一定直徑的纖維，乾燥後在120(TC燒成，得到千燥纖維。經 測定，壓電纖維的密度為6.7g/cm3，徑向收縮率為18%。
取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇均勻 溶解混合，加入體積比1:1.5的水和醋酸及少量乙醯丙酮做穩定劑，在磁力攪拌 作用下調整溶液濃度濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，按溶膠PZT粉末質量比1:6 稱取80份PZT粉末，均勻混合製備具有可塑性的溶膠粉末體系。在擠出機上 6(TC下擠出一定直徑的纖維，乾燥後在120(TC燒成，得到乾燥纖維。經測定， 壓電纖維的密度為6.9g/cm3，徑向收縮率為17.0%。
實施例5:
取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇單甲 醚均勻溶解混合，加入體積比1:3的水和醋酸及少量聚丙烯酸鈉做穩定劑，在磁 力攪拌作用下調整溶液濃度濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，按溶膠PZT粉末質量 比1:9稱取80份PZT粉末，均勻混合製備具有可塑性的溶膠粉末體系。在擠出 機上60。C下擠出一定直徑的纖維，乾燥後在124(TC燒成，得到乾燥纖維。經測 定，壓電纖維的密度為7.3g/cm3，徑向收縮率為16.0%。
取質量比110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯20份，用乙二醇單甲 醚均勻溶解混合，加入體積比1:1.5的水和醋酸及少量乙醯丙酮做穩定劑，在磁 力攪拌作用下調整溶液濃度濃度為0.3mol/l，獲得溶膠，按溶膠PZT粉末質量 比1:8稱取80份PZT粉末，均勻混合製備具有可塑性的溶膠粉末體系。在擠出 機上6(TC下擠出一定直徑的纖維，乾燥後在124(TC燒成，得到乾燥纖維，其X 射線衍射譜圖如圖l所示，顯示纖維具有單一的鈣鈦礦相；PZT壓電纖維斷面在 124(TC燒結的掃描電鏡圖(圖2)，圖中纖維斷面形貌顯示纖維較為緻密，無氣 孔。經測定，壓電纖維的密度為7.3g/cm3，徑向收縮率為15.8%。
權利要求
1、一種PZT壓電纖維，其特徵在於，是通過溶膠-粉末共混擠出法製備，具體是將溶膠和PZT粉末按質量比為1∶1～1∶9均勻混合，然後將混合物在擠出機上60℃下擠出一定直徑的纖維，乾燥後燒結，得到PZT壓電纖維；其中所說的溶膠中包含醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯、水、醋酸，溶膠的濃度為0.3mol/l，醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯的質量比為110∶56∶44，水與醋酸的體積比為1∶0.5～1∶3。
2、 一種製備權利要求1所述的PZT壓電纖維的方法，其特徵在於，將溶膠 和PZT粉末按質量比為1:1 1:9均勻混合，然後將混合物在擠出機上60。C下擠 出一定直徑的纖維，乾燥後燒結，得到PZT壓電纖維；其中所說的溶膠中包含 醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯、水、醋酸，溶膠的濃度為0.3mol/l，醋酸鉛、硝 酸鋯、鈦酸四丁酯的質量比為110:56:44，水與醋酸的體積比為1:0.5 1:3 。
3、 根據權利要求2所述PZT壓電纖維的製備方法，其特徵在於，具體步驟 如下(1) PZT溶膠製備將質量比例為110:56:44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁 酯分別在有機溶劑中進行超聲溶解，並加入適量的穩定劑，將三者的前驅體溶 液混合，在8(TC低溫加熱和超聲振蕩條件下，在其中加入體積比為1:0.5 1:3 的水和醋酸調節溶液水解度，調整溶膠的濃度為0.3mol/l，並在磁力攪拌下使混 合物混合均勻，獲得所述的溶膠；(2) 溶膠一粉末混合體系的製備將溶膠和PZT粉末按質量比為1:1 1:9 混合，在8(TC低溫加熱和均勻攪拌下，再利用研缽研磨數分鐘，或用軋膜機進 行軋制，使得混合物充分混合均勻，並具有合適的可塑性；(3) PZT壓電纖維的製備將上述(2)所得可塑性混合物置於合適的預熱 模具中，在一定壓力和6(TC低溫加熱下，在擠出機上進行纖維素坯的製備，將 纖維素坯放置在平板玻璃上室溫乾燥，排除纖維表面的吸附水；(4) PZT壓電纖維的熱處理將室溫乾燥後的纖維，在低溫乾燥箱中進行 乾燥，然後進行熱處理，得到PZT壓電纖維。
4. 根據權利要求2或3所述PZT壓電纖維的製備方法，其特徵在於，所說 的溶膠和PZT粉末比為1:4 1:8。
5. 根據權利要求2或3所述PZT壓電纖維的製備方法，其特徵在於，所說 的水與醋酸的比為1:0.65 1:1.5。
全文摘要
本發明涉及一種壓電纖維及其製造方法。所說的PZT壓電纖維，是通過溶膠-粉末共混擠出法製備，具體是將溶膠和PZT粉末按比例均勻混合，然後將混合物在擠出機擠出一定直徑的纖維，乾燥後燒結；其中所說的溶膠中包含醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯、水、醋酸。本發明提高了纖維素坯的緻密度，降低了纖維的收縮率，改善了纖維的收縮變形。本發明方法還改善了傳統擠出法擠出的纖維彎曲變形的缺陷，同時可以精確控制纖維的直徑、長度和纖維的收縮率。本發明PZT壓電纖維是具有單一鈣鈦礦相結構，緻密度高，纖維光滑，直徑80～1000μm，具有高的壓電性能，能用於傳感/驅動器件中1-3壓電纖維複合材料的PZT壓電纖維。
文檔編號D01F9/08GK101358388SQ200810123220
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者軍 劉, 孟獻豐, 邱豔芹, 陳彩鳳, 英 駱 申請人:江蘇大學