[發(fā)明專利]一種具有瑞士卷結(jié)構(gòu)的壓電纖維及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010869980.4
• 申請(qǐng)日: 2020-08-26
• 公開（公告）號(hào): CN112038480B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宇清;王玉婷;胡靜;楊欣;李冉冉;方劍;潘志娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院;蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L41/083
• 分類號(hào): H01L41/083;H01L41/277;H01L41/33
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 向亞蘭

本發(fā)明公開了一種具有瑞士卷結(jié)構(gòu)的壓電纖維及其制備方法和應(yīng)用，壓電纖維包括壓電功能層和包覆在所述壓電功能層上的絕緣層，壓電功能層由壓電復(fù)合層按照瑞士卷結(jié)構(gòu)形式、沿垂直于其自身軸心的方向卷繞而成，壓電復(fù)合層包括依次疊加設(shè)置的第一壓電層、導(dǎo)電層和第二壓電層；在壓電功能層外包覆絕緣層，真空加熱固結(jié)，制成預(yù)制棒，熱拉伸，制成；以及上述壓電纖維在傳感器、驅(qū)動(dòng)器和超聲傳感器裝置等領(lǐng)域中的應(yīng)用；本發(fā)明壓電纖維，其具有瑞士卷結(jié)構(gòu)，不僅機(jī)械性能好，耐久性好，壓電效果更好，而且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使從不同方向收集機(jī)械能變得更加可行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能纖維領(lǐng)域，具體涉及一種具有瑞士卷結(jié)構(gòu)的壓電纖維及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

壓電纖維因具有較高的壓電應(yīng)變常數(shù)和厚度機(jī)電耦合系數(shù)、低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和聲阻抗等優(yōu)異性能，在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、超聲傳感器裝置以及汽車、航空等領(lǐng)域有著很大的潛在應(yīng)用。

目前，壓電纖維制造的直接方法主要包括沿ZnO納米棒或納米線（NWs），BaTiO₃（BTO）納米結(jié)構(gòu)和Pb（Zr_0.52Ti_0.48）O₃（PZT）NW直接生長(zhǎng)或濕擠壓壓電陶瓷材料金屬絲/超細(xì)纖維。例如，通過在銅線上沉積ZnO納米棒來報(bào)道壓電纖維；通過將PNN-PZT粉末和有機(jī)溶劑與50μmPt纖芯的混合物一起擠出，展示了Pb（Nb，Ni）O₃-Pb（Zr，Ti）O₃（PNN-PZT）壓電陶瓷纖維；

又如中國專利CN101358388B，其公開了一種PZT壓電纖維的制備方法，具體步驟如下：

(1)PZT溶膠制備：將質(zhì)量比例為110∶56∶44的醋酸鉛、硝酸鋯、鈦酸四丁酯分別在有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲溶解，并加入適量的穩(wěn)定劑，將三者的前驅(qū)體溶液混合，在80℃低溫加熱和超聲振蕩條件下，在其中加入體積比為1∶0.5～1∶3的水和醋酸調(diào)節(jié)溶液水解度，調(diào)整溶膠的濃度為0.3mol/l，并在磁力攪拌下使混合物混合均勻，獲得所述的溶膠；

(2)溶膠-粉末混合體系的制備：將溶膠和PZT粉末按質(zhì)量比為1∶1～1∶9混合，在80℃低溫加熱和均勻攪拌下，再利用研缽研磨數(shù)分鐘，或用軋膜機(jī)進(jìn)行軋制，使得混合物充分混合均勻，并具有合適的可塑性；

(3)PZT壓電纖維的制備：將上述(2)所得可塑性混合物置于合適的預(yù)熱模具中，在一定壓力和60℃低溫加熱下，在擠出機(jī)上進(jìn)行纖維素坯的制備，將纖維素坯放置在平板玻璃上室溫干燥，排除纖維表面的吸附水；

(4)PZT壓電纖維的熱處理：將室溫干燥后的纖維，在低溫干燥箱中進(jìn)行干燥，然后進(jìn)行熱處理，得到PZT壓電纖維。

但是，現(xiàn)已有的技術(shù)所制造的壓電發(fā)生器通常具有較差的機(jī)械可靠性，頻繁而劇烈的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可能會(huì)損壞纖維結(jié)構(gòu)，例如連續(xù)彎曲會(huì)導(dǎo)致壓電層破裂，甚至從纖維芯上剝落，且壓電效果不顯著，這使其不適用于真正的可穿戴應(yīng)用。因此，制備出壓電效果好，機(jī)械性能好，耐久性好，且適用于可穿戴應(yīng)用的壓電纖維具有極佳的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種新型的壓電纖維，其具有瑞士卷結(jié)構(gòu)，不僅機(jī)械性能好，耐久性好，壓電效果更好，而且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使從不同方向收集機(jī)械能變得更加可行。

本發(fā)明同時(shí)還提供了一種上述壓電纖維的制備方法。

本發(fā)明同時(shí)還提供了一種上述壓電纖維在傳感器、驅(qū)動(dòng)器和超聲傳感器裝置中的應(yīng)用，以及在汽車、航空等領(lǐng)域也有著很大的潛在應(yīng)用。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的一種技術(shù)方案如下：

一種壓電纖維，所述壓電纖維包括壓電功能層和包覆在所述壓電功能層上的絕緣層，所述壓電功能層由壓電復(fù)合層按照瑞士卷結(jié)構(gòu)形式、沿垂直于其自身軸心的方向卷繞而成，所述壓電復(fù)合層包括依次疊加設(shè)置的第一壓電層、導(dǎo)電層和第二壓電層。