[发明专利]含有金属芯的压电陶瓷纤维

说明书

一、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，缩短结构的使用寿命。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 FiberComposite，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。

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：