专利名称：含有金属芯的压电陶瓷纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷纤维，尤其涉及一种含有金属芯的压电陶瓷纤维。二、 背景技术智能结构大多采用功能器件与基体结构相集成的结构形式，为了便于与结构基体相 集成，这对智能结构中的功能元件的几何形状与尺寸提出了新的要求。传统的压电功能 器件以块状和片状居多，由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对 结构的强度和可靠性影响很大，也会改变结构的许多性能，甚至影响结构的使用，縮短 结构的使用寿命。满足智能结构提出的易于集成要求的理想几何形状有薄板和纤维。此 外，传统的压电材料存在着显著的缺点，由于陶瓷的脆性，压电陶瓷无法承受大的冲击， 也不能应用于弯曲的平面，因此限制了压电陶瓷的广泛应用。针对这样的几何形状要求，和为了克服传统压电陶瓷的缺点，上个世纪九十年代中 期，美国MIT驱动材料和结构实验室提出了纤维状压电材料(AFC: Active Fiber Composite, fiber-shaped piezoelectric material)的概念，并成功制作了 AFC。自从这一概 念的提出，引起了国际学术界和工程界的广泛关注。美国、德国及日本等国家每年投入 大量的资金对压电纤维的制备及其应用等方面开展了广泛的研究工作，并取得了许多可 喜的研究成果。美国MIT最早采用挤压成型的方法制备压电纤维胚体，经过一定的烧结工艺，成 功的制备了压电纤维。制备的AFC是把横截面为圆形的PZT纤维横向排列在环氧聚合 物中，是各相异性的驱动器。和传统的沿厚度方向极化的压电材料相比，AFC使用指形 交叉电极来获得高的面内驱动能力。另外，PZT纤维和柔软的环氧聚合物能提高AFC 抵抗压力和损伤的能力，还能提高其适应能力。此外MIT还对AFC的应用做了细致的 研究，使得AFC在多个领域都得到了很好的应用。尽管AFC和传统的压电材料相比， 性能上有很大的提高，但也存在着缺点。首先，PZT纤维的圆形横截面使PZT和电极 的接触面积很小，降低了 AFC的机电转换能力。其次，过高的制造成本也限制了 AFC 的使用。再有，AFC需要很高的驱动电压。针对AFC的优缺点，美国航空航天局NASA对压电纤维的制备及应用展开了深入 的研究，他们提出采用流延成型法制备压电薄膜，经过一定的烧结工艺，然后釆用切割 法制备压电纤维，并成功制作了MFC(Macro Fiber Composite)。 MFC是把横截面为矩形 的PZT纤维横向排列在环氧聚合物中，并使用了指形交叉电极。和AFC不同的是，MFC中的矩形PZT纤维提高了 PZT和电极的接触面积，提高了其机电转换效率。另外，MFC 中的PZT纤维是从传统的PZT晶体中切割出来的，降低了其制造成本。由于MFC的柔 韧性较高，可以高效的用于航空航天结构中的振动控制和形状控制。德国采用美国压电 纤维制备的核心技术，利用先进的仪器设备，成功的制备了多种性能的压电纤维及其器 件，并销售给世界各地的科研院所及其公司。由此可见，压电纤维有广阔的市场前景与 应用价值。但是，由于AFC和MFC中的纤维只能在聚合物中，整体作为一个器件使用，不能 单独使用；且只有在交叉电极中的部分纤维可以作为传感和驱动用，其效率受到很大的 影响。中国发明专利申请(申请号200510075352.4)公开了一种具有金属芯的压电陶瓷 纤维，通过挤压法以细长的线状结构形成，直径为50-500微米之间，其压电材料为钛 酸钡或锆钛酸铅，其金属芯为银钯合金、镍、铜、铝纤维；这种具有金属芯的压电陶瓷 纤维适用于汽车轮胎领域的安全监控。这种具有金属芯的压电陶瓷纤维通过挤压法得到 或者通过在金属芯上浸渍、喷镀或等离子沉积等方法得到，其金属芯和压电陶瓷材料之 间的结合不紧密，造成含有金属芯压电陶瓷纤维的性能降低或者出现不可重复性。三、发明内容1、 技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，其金 属芯与压电陶瓷材料之间结合紧密。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本发明提供了以下几种技术方案第一种技术方案的含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯、包覆金属芯的压电陶 瓷材料和包覆在压电陶瓷材料外表面的涂布电极，金属芯的横截面大致呈圆形，也可以 是椭圆形、长方形、正方形等其他形状横截面呈圆形时，其直径(d)的值为10微米 《d《200微米，所述的金属芯由耐髙温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属材料制成； 压电陶瓷材料为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(ZrxTii.x)03，其中x=0.35—0.65;第二种技术方案的含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯、包覆金属芯的压电陶 瓷材料和包覆在压电陶瓷材料外表面的涂布电极，金属芯的横截面大致呈圆形，也可以 是椭圆形、正方形等其他形状；横截面呈圆形时，金属芯直径(d)的值为10微米《d 《200微米，所述的金属芯由耐高温100(TC—3500'C并且不易氧化的金属材料制成；压 电陶瓷材料为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zm/3Nb2/3)x(ZryTi!.y;h-x03，其中乂=0.1—0.5，尸0.35—0.65;本发明第三种技术方案的含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯、包覆金属芯的 压电陶瓷材料和包覆在压电陶瓷材料外表面的涂布电极，金属芯的横截面大致呈圆形， 也可以是椭圆形、正方形等其他形状；横截面呈圆形时，金属芯直径(d)的值为10微 米《d《200微米，所述的金属芯由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属材料制 成；压电陶瓷材料为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式 为Pb(Ni!/3Nb2/3)x(ZryTiLy)Lx03,其中x=0.3—0.7， y=0.2—0.8;本发明第四种技术方案的含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯、包覆金属芯的 压电陶瓷材料和包覆在压电陶瓷材料外表面的涂布电极，金属芯的横截面大致呈圆形， 也可以是椭圆形、正方形等其他形状；横截面呈圆形时，金属芯直径(d)的值为10微 米《d《200微米，所述的金属芯由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属材料制 成；压电陶瓷材料为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式 为Pb(Mgi/3Nb2/3)x(ZryTi"y)Lx03，其中x=0.1—0.5， y=0.35—0.65;以上各技术方案中，金属芯的金属材料为铂金或者金或者钼或钨。纤维直径在50 微米--IOOO微米之间，纤维横截面大致为圆形，也可以是长方形、椭圆形、正方形等其 他形状。3、有益效果本发明提出的含有金属芯的压电陶瓷纤维，陶瓷部分和金属芯部分结合性很好，由附图2的金相图可以清楚地看出这一点；其中的金属芯可以作为电极使用，这样只需要 在压电陶瓷纤维的外表面镀上电极，单根纤维就可以用作传感器或者驱动器；本发明的 含金属芯压电陶瓷纤维具有典型的铁电性，如图3所示，其具有典型的电滞回线；此外， 如图4所示，该含金属芯压电陶瓷纤维也具有典型压电材料的应变-电场的关系曲线， 说明该纤维也可以用作驱动元件。四
图1为含金属芯压电陶瓷纤维结构示意图；图2为PNN-PZT (为Pb(Ni!/3Nb2/3)x(ZryTiLy)Lx03的简写)金属芯压电陶瓷纤维的显微 金相结构图；图3为PNN-PZT含金属芯压电陶瓷纤维极化率和电场的关系曲线； 图4为PNN-PZT含金属芯压电陶瓷纤维的应变和电场的关系曲线。五具体实施方式
实施例一如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3,金属芯1横截面呈圆 形，其直径为10微米，所述的金属芯l由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属材料如铂金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如金或者钼或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zr0.35Ti0.65)O3;实施例二如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为200微米，所述的金属芯1由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属 材料如金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者钼或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zr,Ti0.35)O3; 实施例三如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯l、包覆金属芯l 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为100微米，所述的金属芯1由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zr0.5Ti0.5)O3; 实施例四如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯l、包覆金属芯l 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为180微米，所述的金属芯1由耐高温1000'C—3500'C并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zr0.5Ti0.5)O3; 实施例五如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为IO微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属 材料如铂金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如金或者钼或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zn1/3Nb2/3)ai(Zra35Tio.65)a903;本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维截面为圆形，直 径为600微米；实施例六如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为200微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属 材料如金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者钼或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zni/3Nb2/3)o.5(Zro.65Tio.35)0.503 ; 实施例七如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为100微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—3500'C并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或鸨等制成； 压电陶瓷材料2为转钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zni/3Nb2/3)0.3(Zr0.5Ti0.5)o.703; 实施例八如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为195微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或鸨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr0.5Ti0.5)0.7O3; 实施例九如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯l、包覆金属芯l 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为10微米，所述的金属芯l由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属 材料如铂金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如金或者钼或钩等制成； 压电陶瓷材料2为转钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Ni1/3Nb2/3)a3(Zra2Tia8)o.703;本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维截面为圆形，直 径为50微米； 实施例十如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆形，其直径为200微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属 材料如金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者钼或钩等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的鈣钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Ni1/3Nb2/3)a7(Zra2TiQ.8)a303;本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维截面为椭圆形； 实施例i^一如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为100微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(rC并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如钼金或者金或鸨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的转钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Nii/3Nb2/3)0.4(Zr0.6Ti0.4)0.6O3; 实施例十二如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为10微米，所述的金属芯l由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧化的金属 材料如铂金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如金或者钼或鸨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为实施例十三如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯l、包覆 金属芯1的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横 截面呈圆形，其直径为200微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC—350(TC并且不易氧 化的金属材料如金制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者钼或鸽 等制成；压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的韩钛矿结构压电陶瓷材料 分子式为Pb(MgwNb2/3)o.5(Zro.35Ti,)o.503;本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维截面 为圆形，直径为1000微米；实施例十四如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为100微米，所述的金属芯1由耐高温1000'C—350(TC并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为Pb(Mg"3Nb2/3)o.4(Zro.4Tio.6)0.603;实施例十五如图1所示，本实施例的含有金属芯的压电陶瓷纤维包括金属芯1、包覆金属芯1 的压电陶瓷材料2和包覆在压电陶瓷材料2外表面的涂布电极3，金属芯1横截面呈圆 形，其直径为40微米，所述的金属芯1由耐高温100(TC-350(TC并且不易氧化的金属 材料如钼制成，也可以是其他耐高温且不易氧化的金属材料如铂金或者金或钨等制成； 压电陶瓷材料2为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为 Pb(Mgi/3Nb2/3)o.4(Zr0.4Ti0.6)0.603 。
权利要求
1、一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电陶瓷材料(2)和包覆在压电陶瓷材料(2)外表面的涂布电极(3)，其特征在于，金属芯(1)直径(d)的值为10微米≤d≤200微米，所述的金属芯(1)由耐高温1000℃-3500℃并且不易氧化的金属材料制成；压电陶瓷材料(2)为钙钛矿结构压电陶瓷材料，所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为Pb(ZrxTi1-x)O3，其中x＝0.35-0.65。
2、 如权利要求1所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，所述的金属材 料为铂金或者金或者钼或鸨。
3、 一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电陶 瓷材料(2)和包覆在压电陶瓷材料(2)外表面的涂布电极(3)，其特征在于，金属芯(1)直径(d)的值为10微米《d《200微米，所述的金属芯(1)由耐高温100(TC — 350(TC并且不易氧化的金属材料制成；压电陶瓷材料(2)为钙钛矿结构压电陶瓷材料， 所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为Pb(Zm/3Nb2/3)x(ZryTi,.y;h.x03，其中x=0.1—0.5， y=0.35—0.65。
4、 如权利要求3所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，所述的金属材 料为铂金或者金或者钼或钨。
5、 一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电陶 瓷材料(2)和包覆在压电陶瓷材料(2)外表面的涂布电极(3)，其特征在于，金属芯(1)直径(d)的值为10微米《d《200微米，所述的金属芯(1)由耐高温100(TC — 350(TC并且不易氧化的金属材料制成；压电陶瓷材料(2)为钙钛矿结构压电陶瓷材料， 所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为Pb(Ni^Nb2/3)x(ZryTiLy)Lx03，其中x=0.3—0.7， y=0.2—0.8。
6、 如权利要求5所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，所述的金属材 料为铂金或者金或者钼或钩。
7、 一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电陶 瓷材料(2)和包覆在压电陶瓷材料(2)外表面的涂布电极(3),其特征在于，金属芯(1)直径(d)的值为10微米《d《200微米，所述的金属芯(1)由耐高温IOO(TC — 350(TC并且不易氧化的金属材料制成；压电陶瓷材料(2)为钙钛矿结构压电陶瓷材料， 所述的钙钛矿结构压电陶瓷材料分子式为Pb(Mgi/3Nb2/3)x(ZryTiLy;h.x03，其中x=0.1— 0.5， y-0.35—0.65。
8、 如权利要求7所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，所述的金属材 料为铂金或者金或者钼或钩。
9、 如权利要求l、 3、 5或7所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，纤 维直径在50微米-1000微米之间。
10、 如权利要求l、 3、 5或7所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其特征在于，截 面为圆形、椭圆形、长方形或正方形。
全文摘要
本发明涉及一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，包括金属芯(1)、包覆金属芯(1)的压电陶瓷材料(2)和包覆在压电陶瓷材料(2)外表面的涂布电极(3)，金属芯(1)直径(d)的值为10微米≤d≤200微米，所述的金属芯(1)由耐高温1000℃-3500℃并且不易氧化的金属材料制成；压电陶瓷材料(2)为钙钛矿结构压电陶瓷材料；本发明的含有金属芯的压电陶瓷纤维，陶瓷部分和金属芯部分结合性很好；其中的金属芯可以作为电极使用，这样只需要在压电陶瓷纤维的外表面镀上电极，单根纤维就可以用作传感器或者驱动器；具有典型的铁电性，也具有典型压电材料的应变-电场的关系曲线，可以用作驱动元件。
文档编号H01L41/087GK101217179SQ200810019459
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者季宏丽, 朱孔军, 裘进浩 申请人:南京航空航天大学