专利名称：含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法及其挤压成型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电压电陶瓷纤维的制备方法，尤其涉及一种含有金属芯的压电陶 瓷纤维的制备方法，同时涉及一种实现该方法的挤压成型装置。二、 背景技术传统的陶瓷挤压成型是采用真空练泥机、螺旋或活塞式挤坯机，将可塑泥料团挤压 向前，经过机嘴定形，达到制品所要求的形状。陶管、劈离砖、辊棒和热电偶套管等管 状、棒状、断面和中孔一致的产品，均可采用挤压成型。坯体的外形由挤压机机头内部 形状所决定，坯体的长度根据尺寸要求进行切割。挤压成型便于与前后工序联动，实现 自动化生产。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。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。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，然后采用切割 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。
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可以制备含有金属芯的压电陶瓷纤 维的方法，同时提供一种用于实现该方法的挤压成型设备。
2、 技术方案为了达到上述的发明目的，本发明的制备含有金属芯的压电陶瓷纤维的 方法的包括下列步骤
步骤一按照压电陶瓷材料的组成配方，称取原料，并球磨混合；实际中压电陶瓷 材料的组成配方有很多种，但是分子式都是确定的，例如常见的PVDF (聚偏氟乙烯，
简称F-2，英文名称为PolyVinylideneFluoride，简称PVDF，其分子式为eCF2-CH2
n )，以及钛酸钡、锆钛酸铅材料、钙钛矿结构压电陶瓷材料中的Pb(Zro.35Tio.65)03 ，本
领域技术人员可以根据所需材料的分子式进行原材料的选取， 一般在下列种类的分析纯
或化学纯中选取PbO,Ti02，Zr02，Nb205,NiO,MgO和ZnO，各种材料的配比依材料的 分子式确定；
步骤二将步骤一所得的混合物在30-100摄氏度下干燥5—48小时，然后在900-1100 摄氏度下预烧1-5小时得到粉体；
步骤三将步骤二经预烧过的粉体再次球磨5-24小时，再在30-100摄氏度下干燥 5—48小时，研磨后过孔径为30—150微米分选筛，得到前驱体粉体；
步骤四将所得到的前驱体粉体与粘结剂充分混合成浆状，干燥后得到挤压成型用 泥料； .
步骤五将金属芯穿过挤压成型装置的内腔，将所得的挤压成型用泥料装入挤压成
型装置的外腔，挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口成型为一体，即可得到
细长的带有金属芯的压电纤维坯体，然后在室温下干燥12-36小时；
步骤六将干燥后的压电纤维坯体缠绕于氧化铝平板上，再密封放置于氧化铝坩埚 中；可以用氧化铝泥密封坩埚；
步骤七加热所述的氧化铝坩埚，加热过程中，500—700摄氏度之前先慢烧，升温 速度为0.5-2°C/min;然后快速升温，升温速度为3-6。C/min,升温至烧结温度，所述的 烧结温度为1000-1300摄氏度，保温0.5-2小时，再将烧结后的陶瓷纤维涂布电极后进行极化，得到含金属芯的压电陶瓷纤维。本发明的用于制备含有金属芯的压电陶瓷纤维的方法的挤压成型装置，包括用于容 纳金属芯的内腔、外腔、连接杆、原料缸和推进杆，外腔套设在内腔外，内腔与外腔之 间有一空间，外腔通过中空的连接杆与原料缸连接，推进杆两端与原料缸的缸壁紧密接 触；外腔末端为出口；外腔的横截面大致为圆形，也可以是椭圆形、正方形、长方形等 其他形状。使用时，金属芯从内腔的入口端穿入并伸出内腔的出口端，压电陶瓷纤维材 料预先容纳在原料缸内，压电陶瓷纤维材料经推进杆挤压，通过中空的连接杆进入外腔， 压电陶瓷纤维材料在出口处包覆在金属芯上，形成有金属芯的压电陶瓷纤维坯体，用于 随后含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备过程。为了使压电陶瓷纤维材料能够均匀地涂覆在金属芯表面，内腔的末端与外腔的末端 之间有一间隔。为了能够进行连续的挤压成型工作，本挤压成型装置还包括一个用于牵拉金属芯的 牵拉装置，例如电动机，将金属芯一端固定在该装置上进行牵拉即可实现匀速、连续作 业，金属芯的线速度为0.01 0.5m/s。推进杆在原料缸内推进材料时，可以借助一个的推动装置对其施加连续的外力，使 材料能够均匀地进入外腔。其中，内腔的内径为10 500微米；外腔2的内径100 1000微米。内腔与外腔一般为中空的圆柱体；外腔也可以为中空的锥状结构，其倾斜角度《30° 。3、有益效果本发明的方法是制备双层结构复合材料的新技术，该方法工艺稳定， 重复性好，可采用传统工业用原料制备，适于大规模生产，得到的含有金属芯的压电陶 瓷纤维性能稳定；本发明的挤压成型装置结构简单，能够实现连续生产。四
图1是本发明的挤压成型装置的结构示意图。五、 具体实施例方式 实施例一本实施例是一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法，包括下列步骤 步骤一按照分子式为？1 @0.35110.65)03的压电陶瓷材料的组成，称取PbO，Zr02， Ti02，球磨混合；步骤二将步骤一所得的混合物在30摄氏度下干燥5小时，然后在900摄氏度下 预烧1小时得到粉体；步骤三将步骤二经预烧过的粉体再次球磨5小时，再在30摄氏度下干燥5小时， 研磨后过孔径为30微米分选筛，得到前驱体粉体；步骤四将所得到的前驱体粉体与粘结剂充分混合成浆状，干燥后得到挤压成型用 泥料；步骤五将金属芯穿过挤压成型装置的内腔l，将所得的挤压成型用泥料装入挤压 成型装置的外腔2，挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口 8成型为一体，即 可得到细长的带有金属芯的压电纤维坯体，然后在室温下干燥12小时；步骤六将干燥后的压电纤维坯体缠绕于氧化铝平板上，再密封放置于氧化铝坩埚中；步骤七加热所述的氧化铝坩埚，加热过程中，500摄氏度之前先慢烧，升温速度 为0.5C/min;然后快速升温，升温速度为3C/min，升温至烧结温度，所述的烧结温度为 1000摄氏度，保温0.5小时，再将烧结后的陶瓷纤维涂布电极后进行极化，得到含金属 芯的压电陶瓷纤维。 实施例二本实施例是一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法，包括下列步骤步骤一按照分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)ai(Zra35Tia65)a903的压电陶瓷材料的组成配方， 称取PbO， Ti02, Zr02, Nb205和ZnO，并球磨混合；步骤二将步骤一所得的混合物在100摄氏度下干燥48小时，然后在1100摄氏度 下预烧5小时得到粉体；步骤三将步骤二经预烧过的粉体再次球磨24小时，再在100摄氏度下干燥48小 时，研磨后过孔径为150微米分选筛，得到前驱体粉体；步骤四将所得到的前驱体粉体与粘结剂充分混合成浆状，干燥后得到挤压成型用 泥料；步骤五将金属芯穿过挤压成型装置的内腔l，将所得的挤压成型用泥料装入挤压成型装置的外腔2，挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口 8成型为一体，即可得到细长的带^"金属芯的压电纤维坯体，然后在室温下干燥36小时；步骤六将干燥后的压电纤维坯体缠绕于氧化铝平板上，再密封放置于氧化铝坩埚中；步骤七加热所述的氧化铝坩埚，加热过程中，700摄氏度之前先慢烧，升温速度为2°C/min;然后快速升温，升温速度为6°C/min,升温至烧结温度，所述的烧结温度 为1300摄氏度，保温2小时，再将烧结后的陶瓷纤维涂布电极后进行极化，得到含金 属芯的压电陶瓷纤维。 实施例三本实施例是一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法，包括下列步骤步骤一按照分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)o.5(Zro.35Tia65)o.503的压电陶瓷材料的组成配方， 称取PbO， Ti02, Zr02， Nb205和MgO,并球磨混合；步骤二将步骤一所得的混合物在80摄氏度下干燥30小时，然后在1000摄氏度 下预烧3小时得到粉体；步骤三将步骤二经预烧过的粉体再次球磨15小时，再在60摄氏度下干燥30小 时，研磨后过孔径为120微米分选筛，得到前驱体粉体；步骤四将所得到的前驱体粉体与粘结剂充分混合成浆状，干燥后得到挤压成型用 泥料；步骤五将金属芯穿过挤压成型装置的内腔l，将所得的挤压成型用泥料装入挤压 成型装置的外腔2，挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口 8成型为一体，即 可得到细长的带有金属芯的压电纤维坯体，然后在室温下干燥30小时；步骤六将干燥后的压电纤维坯体缠绕于氧化铝平板上，再密封放置于氧化铝坩埚中；步骤七加热所述的氧化铝坩埚，加热过程中，600摄氏度之前先慢烧，升温速度 为TC/min;然后快速升温，升温速度为5°C/min，升温至烧结温度，所述的烧结温度 为1100摄氏度，保温1小时，再将烧结后的陶瓷纤维涂布电极后进行极化，得到含金 属芯的压电陶瓷纤维。 实施例四如图1所示，本实施例涉及一种用于含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压 成型装置，包括用于容纳金属芯的内腔l、外腔2、连接杆3、原料缸4和推进杆5，外 腔2套设在内腔1外，内腔1与外腔2之间有一空间11，外腔2通过中空的连接杆3 与原料缸4连接，推进杆5两端与原料缸4的缸壁紧密接触；外腔2末端为出口8;内 腔1的末端与外腔2的末端之间有一间隔81;还包括一个用于牵拉金属芯7的牵拉装置 6，牵拉装置6拉动金属芯，其线速度为0.01m/s，牵拉装置6为电动机；还包括一个能 匀速推动推进杆5的推动装置；内腔l为中空的圆柱体，内径为10微米；外腔2为中空的圆柱体，内径为100微米。实施例五本实施例的挤压成型装置的结构与实施例四基本相同，不同的是外腔2为中空的圆 锥体，其倾斜角度为3(T ，最大内径为1000微米；外腔2的出口8位于圆锥体的锥顶; 牵拉装置6拉动金属芯的线速度为0. 5m/s。实施例六如图1所示，本实施例涉及一种用于含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压 成型装置，包括用于容纳金属芯的内腔l、外腔2、连接杆3、原料缸4和推进杆5，外 腔2套设在内腔1夕卜，内腔1与外腔2之间有一空间11,外腔2通过中空的连接杆3 与原料缸4连接，推进杆5两端与原料缸4的缸壁紧密接触；外腔2末端为出口8;内 腔1的末端与外腔2的末端之间有一间隔81;还包括一个用于牵拉金属芯7的牵拉装置 6，牵拉装置6拉动金属芯，其线速度为0.3m/s，牵拉装置6为电动机；还包括一个能 匀速推动推进杆5的推动装置。内腔l为中空的圆柱体，内径为500微米；外腔2为中空的圆柱体，内径为800微米。
权利要求
1、一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，包括下列步骤步骤一按照压电陶瓷材料的组成配方，称取原料，并球磨混合；步骤二将步骤一所得的混合物在30-100摄氏度下干燥5-48小时，然后在900-1100摄氏度下预烧1-5小时得到粉体；步骤三将步骤二经预烧过的粉体再次球磨5-24小时，再在30-100摄氏度下干燥5-48小时，研磨后过孔径为30-150微米分选筛，得到前驱体粉体；步骤四将所得到的前驱体粉体与粘结剂充分混合成浆状，干燥后得到挤压成型用泥料；步骤五将金属芯穿过挤压成型装置的内腔(1)，将所得的挤压成型用泥料装入挤压成型装置的外腔(2)，挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口(8)成型为一体，即可得到细长的带有金属芯的压电纤维坯体，然后在室温下干燥12-36小时；步骤六将干燥后的压电纤维坯体缠绕于氧化铝平板上，再密封放置于氧化铝坩埚中；步骤七加热所述的氧化铝坩埚，加热过程中，500-700摄氏度之前先慢烧，升温速度为0.5-2℃/min；然后快速升温，升温速度为3-6℃/min，升温至烧结温度，所述的烧结温度为1000-1300摄氏度，保温0.5-2小时，再将烧结后的陶瓷纤维涂布电极后进行极化，得到含金属芯的压电陶瓷纤维。
2、 一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置，其特征在于，包 括用于容纳金属芯的内腔(1)、外腔(2)、连接杆(3)、原料缸(4)和推进杆(5)， 外腔(2)套设在内腔(1)夕卜，内腔(1)与外腔(2)之间有一空间(11),外腔(2) 通过中空的连接杆(3)与原料缸(4)连接，推进杆(5)两端与原料缸(4)的缸壁紧 密接触；外腔(2)末端为出口 (8)。
3、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置， 其特征在于，内腔(1)的末端与外腔(2)的末端之间有一间隔(81)
4、 如权利要求2或3所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装 置，其特征在于，还包括一个用于牵拉金属芯的牵拉装置(6)，牵拉装置(6)的牵拉 速度为0.01 0. 5m/s。
5、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置， 其特征在于，还包括一个推动推进杆(5)的推动装置。
6、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置， 其特征在于，内腔l的内径为10 500微米。
7、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置， 其特征在于，外腔2的内径100 1000微米。
8、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置，其特征在于，外腔(2)为中空的锥体，其倾斜角度《30。。
9、 如权利要求2所述的含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法的挤压成型装置， 其特征在于，外腔(2)的横截面为圆形、椭圆形、正方形或长方形。
全文摘要
本发明公开了一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法，有以下步骤称取原料并球磨混合；将混合物干燥和预烧得到粉体；将粉体球磨，再干燥，研磨后过分选筛，得到前驱体粉体；充分混合前驱体粉体成浆状，干燥后得到挤压成型用泥料；将挤压成型用泥料和金属芯在挤压成型装置的出口成型为一体，在室温下干燥；将干燥后的压电纤维坯体进行加热烧结；还公开了一种用于该方法的挤压成型装置，包括用于容纳金属芯的内腔、外腔、连接杆、原料缸和推进杆；本发明的方法是制备双层结构复合材料的新技术，工艺稳定，重复性好，可用传统工业用原料制备，适于大规模生产，得到的含有金属芯的压电陶瓷纤维性能稳定；挤压成型装置结构简单，能够实现连续生产。
文档编号C04B35/491GK101318828SQ20081001914
公开日2008年12月10日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者建 刘, 季宏丽, 朱孔军, 裘进浩, 边义祥 申请人:南京航空航天大学