[发明专利]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

说明书

一、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，缩短结构的使用寿命。

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。

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∈CF2-CH2n)，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(Zr_0.35Ti_0.65)O₃，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，TiO₂，ZrO₂，Nb₂O₅，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；