[发明专利]一种致密压电陶瓷纤维的制备方法及致密压电陶瓷纤维

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料及机电转换器件领域，具体涉及一种致密压电陶瓷纤维的制备方法及致密压电陶瓷纤维。

背景技术

压电材料具有能使机械能和电能之间的相互转换的正逆压电效应,其中应用最广的压电材料是压电陶瓷，是各类微电机系统、声学换能器和传感器等的核心工作材料。某些微电机或能量收集系统，以及声学换能器如水听器和医学换能器等，需使用压电陶瓷纤维或基于压电陶瓷纤维的复合材料。同时，这些器件需要使用的陶瓷纤维具有优异的压电性能。由于陶瓷硬而脆特性及制造过程需要高温烧结的特点，这类陶瓷纤维制备异常困难，采用的纺丝法或挤出法等，需要精密复杂的机械设备和繁琐复杂的工艺控制流程，导致其制备成本高。更重要的是，这些方法都需采用含有大量有机胶粘剂的陶瓷浆料，导致陶瓷烧结条件复杂且难以控制，压电纤维密度降低，压电性能劣化，相关器件性能下降。因此，高致密的压电陶瓷纤维的制备十分困难。

发明内容

为了克服上述高致密压电陶瓷纤维的制备困难的问题，本发明提供了一种新型水基低有机物含量浆料陶瓷纤维制备方法，该方法包括以下步骤：

1）将陶瓷粉体、分散剂、固化剂体系和水充分混合，得到高固相含量且低粘度的陶瓷浆料；

其中，陶瓷粉体占浆料体积的43vol%～55vol%；

2）将步骤1）得到的陶瓷浆料灌入模具中，该模具包括含一排致密排列的狭长纤维成型沟槽的模具，和可紧密放置在此成型模具定位滑轨上的可滑动平板片；

3）加入能引发凝胶反应的化学物质或者在一定温度下引发凝胶反应，得到等效强度大于5MPa的压电陶瓷纤维素坯；

4）将步骤3）中得到的压电陶瓷纤维素坯在恒温下固化、干燥，并通过其体积收缩和脱模剂的辅助作用脱模；

5）将步骤4）中得到的陶瓷纤维烧结，得到横截面形状不同的压电陶瓷纤维。

所述步骤1）中固化剂可以为有机单体、交联剂，此时能引发凝胶反应的化学物质为引发剂和催化剂，有机单体包括丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰胺（MAM）、二甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）等可发生自由基聚合并可生成凝胶的有机单体小分子；交联剂包括N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）、N，N'-（1,2-二羟乙烯基）双丙烯酰胺（DHEBA）；所述引发剂为过硫酸盐（过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸），所述催化剂为四甲基乙二胺；其中，有机单体含量占浆料中水质量的10～45%，交联剂含量占水质量的3～15%，交联剂与有机单体比例为1：3～1：10，引发剂含量为10～30μg/100mL浆料；催化剂含量为20～50μl/100mL浆料。引发凝胶反应的温度范围可以从室温到80℃变动，温度越高，反应时间越短。

所述步骤1）中固化剂可为琼脂，此时浆料是通过先加热至约80℃再冷却至37℃以下而使琼脂发生凝胶反应，形成具有一定强度的素坯。其中，琼脂的含量为陶瓷浆料水质量的3～10%。

所述步骤1）中固化剂可为明胶，此时浆料是通过加热搅拌后冷却至室温，而使明胶发生凝胶反应，形成具有一定强度的素坯。其中，明胶的含量为陶瓷浆料水质量的3～10%。

所述步骤1）中固化剂可以为海藻酸盐，此时能引发凝胶反应的化学物质为Ca²⁺溶液，利用海藻酸盐凝胶固化剂体系固化陶瓷浆料的主要步骤为，将海藻酸钠、陶瓷粉体和分散剂按照一定的比例与水混合球磨，得到高固相低粘度的陶瓷浆料，除泡后，加入一定Ca²⁺溶液，海藻酸盐和Ca²⁺和发生凝胶反应，陶瓷浆料固化成具有一定强度的素坯。其中，海藻酸盐包括海藻酸钠等可溶性盐，Ca²⁺溶液包括CaCl₂、Ca(NO₃)₂等可溶性钙离子溶液。海藻酸盐的含量为陶瓷浆料水质量的3～10%，海藻酸盐与Ca²⁺的比例为1：1。

在本发明所列的几种固化剂体系中，有机单体、交联剂、引发剂和催化剂体系的性能相对最稳定，条件容易控制。

根据本发明的制备方法，所述步骤1）中的分散剂并不依赖特定分散剂的选择，只要分散剂可以使得陶瓷粉体在浆料中均匀分散即可，为选自聚丙烯酸盐（聚丙烯酸钠和聚丙烯酸铵）、聚甲基丙烯酸盐（聚甲基丙烯酸钠和聚甲基丙烯酸铵）、马来酸酐丙烯酸共聚物、四甲基氢氧化铵、柠檬酸铵、偏磷酸钠中的一种。为了取得更好的分散效果，可以针对不同的粉体选择相应的分散剂和合适用量。如锆钛酸铅粉体选择柠檬酸铵、铌酸钾钠粉体选择聚丙烯酸钠等。