[發(fā)明專利]一種致密壓電陶瓷纖維的制備方法及致密壓電陶瓷纖維

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210589681.0
• 申請(qǐng)日: 2012-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103898632A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭棟;廖擎瑋;陳小隨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類號(hào): D01F9/08
• 分類號(hào): D01F9/08;C04B35/491;C04B35/493
• 代理公司: 北京法思騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功能材料及機(jī)電轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域，具體涉及一種致密壓電陶瓷纖維的制備方法及致密壓電陶瓷纖維。

背景技術(shù)

壓電材料具有能使機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換的正逆壓電效應(yīng),其中應(yīng)用最廣的壓電材料是壓電陶瓷，是各類微電機(jī)系統(tǒng)、聲學(xué)換能器和傳感器等的核心工作材料。某些微電機(jī)或能量收集系統(tǒng)，以及聲學(xué)換能器如水聽(tīng)器和醫(yī)學(xué)換能器等，需使用壓電陶瓷纖維或基于壓電陶瓷纖維的復(fù)合材料。同時(shí)，這些器件需要使用的陶瓷纖維具有優(yōu)異的壓電性能。由于陶瓷硬而脆特性及制造過(guò)程需要高溫?zé)Y(jié)的特點(diǎn)，這類陶瓷纖維制備異常困難，采用的紡絲法或擠出法等，需要精密復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和繁瑣復(fù)雜的工藝控制流程，導(dǎo)致其制備成本高。更重要的是，這些方法都需采用含有大量有機(jī)膠粘劑的陶瓷漿料，導(dǎo)致陶瓷燒結(jié)條件復(fù)雜且難以控制，壓電纖維密度降低，壓電性能劣化，相關(guān)器件性能下降。因此，高致密的壓電陶瓷纖維的制備十分困難。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述高致密壓電陶瓷纖維的制備困難的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種新型水基低有機(jī)物含量漿料陶瓷纖維制備方法，該方法包括以下步驟：

1）將陶瓷粉體、分散劑、固化劑體系和水充分混合，得到高固相含量且低粘度的陶瓷漿料；

其中，陶瓷粉體占漿料體積的43vol%～55vol%；

2）將步驟1）得到的陶瓷漿料灌入模具中，該模具包括含一排致密排列的狹長(zhǎng)纖維成型溝槽的模具，和可緊密放置在此成型模具定位滑軌上的可滑動(dòng)平板片；

3）加入能引發(fā)凝膠反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)或者在一定溫度下引發(fā)凝膠反應(yīng)，得到等效強(qiáng)度大于5MPa的壓電陶瓷纖維素坯；

4）將步驟3）中得到的壓電陶瓷纖維素坯在恒溫下固化、干燥，并通過(guò)其體積收縮和脫模劑的輔助作用脫模；

5）將步驟4）中得到的陶瓷纖維燒結(jié)，得到橫截面形狀不同的壓電陶瓷纖維。

所述步驟1）中固化劑可以為有機(jī)單體、交聯(lián)劑，此時(shí)能引發(fā)凝膠反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)為引發(fā)劑和催化劑，有機(jī)單體包括丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰胺（MAM）、二甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）等可發(fā)生自由基聚合并可生成凝膠的有機(jī)單體小分子；交聯(lián)劑包括N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM）、N，N'-（1,2-二羥乙烯基）雙丙烯酰胺（DHEBA）；所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鹽（過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鉀、過(guò)硫酸），所述催化劑為四甲基乙二胺；其中，有機(jī)單體含量占漿料中水質(zhì)量的10～45%，交聯(lián)劑含量占水質(zhì)量的3～15%，交聯(lián)劑與有機(jī)單體比例為1：3～1：10，引發(fā)劑含量為10～30μg/100mL漿料；催化劑含量為20～50μl/100mL漿料。引發(fā)凝膠反應(yīng)的溫度范圍可以從室溫到80℃變動(dòng)，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越短。

所述步驟1）中固化劑可為瓊脂，此時(shí)漿料是通過(guò)先加熱至約80℃再冷卻至37℃以下而使瓊脂發(fā)生凝膠反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的素坯。其中，瓊脂的含量為陶瓷漿料水質(zhì)量的3～10%。

所述步驟1）中固化劑可為明膠，此時(shí)漿料是通過(guò)加熱攪拌后冷卻至室溫，而使明膠發(fā)生凝膠反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的素坯。其中，明膠的含量為陶瓷漿料水質(zhì)量的3～10%。

所述步驟1）中固化劑可以為海藻酸鹽，此時(shí)能引發(fā)凝膠反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)為Ca²⁺溶液，利用海藻酸鹽凝膠固化劑體系固化陶瓷漿料的主要步驟為，將海藻酸鈉、陶瓷粉體和分散劑按照一定的比例與水混合球磨，得到高固相低粘度的陶瓷漿料，除泡后，加入一定Ca²⁺溶液，海藻酸鹽和Ca²⁺和發(fā)生凝膠反應(yīng)，陶瓷漿料固化成具有一定強(qiáng)度的素坯。其中，海藻酸鹽包括海藻酸鈉等可溶性鹽，Ca²⁺溶液包括CaCl₂、Ca(NO₃)₂等可溶性鈣離子溶液。海藻酸鹽的含量為陶瓷漿料水質(zhì)量的3～10%，海藻酸鹽與Ca²⁺的比例為1：1。

在本發(fā)明所列的幾種固化劑體系中，有機(jī)單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑體系的性能相對(duì)最穩(wěn)定，條件容易控制。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法，所述步驟1）中的分散劑并不依賴特定分散劑的選擇，只要分散劑可以使得陶瓷粉體在漿料中均勻分散即可，為選自聚丙烯酸鹽（聚丙烯酸鈉和聚丙烯酸銨）、聚甲基丙烯酸鹽（聚甲基丙烯酸鈉和聚甲基丙烯酸銨）、馬來(lái)酸酐丙烯酸共聚物、四甲基氫氧化銨、檸檬酸銨、偏磷酸鈉中的一種。為了取得更好的分散效果，可以針對(duì)不同的粉體選擇相應(yīng)的分散劑和合適用量。如鋯鈦酸鉛粉體選擇檸檬酸銨、鈮酸鉀鈉粉體選擇聚丙烯酸鈉等。