压电纤维复合材料的研究与应用

压电纤维复合材料的研究与应用

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湖北工程学院湖北孝感432000

摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。

关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用

1引言

压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。

目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。

2压电陶瓷纤维的制备方法

2.1 溶胶-凝胶法

制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，

而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。

Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。

LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。

Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。

Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。

锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤

维在300℃时的连续热解，获得长达2m的热解纤维，经煅烧和烧结成功制备出长PZT纤维。

图1 纤维的制备装置

2.2挤压法

2.2.1传统挤压法

在陶瓷粉末中加入有机粘结剂及塑化剂使之成为可塑性的混合物料，通过特定的装置，调节挤压工艺参数(压力值、挤压比、挤压速率等)可得压电陶瓷纤维。Bowen等用传统挤压法制备了PZT纤维，并研究了PZT纤维的性能。将原料PZT - 5A粉末、粘结剂PVB、溶剂、添加剂环己烷球磨混匀，挤压得到直径为250μm的纤维坯体，然后进行热处理，以1℃／min升温速率至600℃保温1h排胶，再以5℃／min速率升温至1200℃保温1h烧结，得到密度为7.7(±0.1)mg／m3，d33为377pC／N的纤维。传统挤压法工艺较为简单，但未经热处理的纤维中有机成分含量较高，在烧结过程中体积收缩较大，有机物分解导致纤维的气孔率高，得到的纤维往往强度低、密度小。

2.2.2粉末-溶胶混合挤压法

由于溶胶一凝胶纺丝法规模生产纤维时，需要特殊的工艺设备且生产成本高，而传统方法制备的纤维性能较差。于是Qiu等提出了制备陶瓷纤维的新方法，即用粉末一溶胶混合挤出法制备了直径为250μm的Pb(Nb ,Ni)O3—Pb(Zr，Ti)O3纤维坯体。该方法用PNN—PZT溶胶取代了有机粘结剂，溶胶在烧结过程中转变为晶相，减少了烧结前粘结剂的排除过程，且增加了纤维中PNN—PZT

晶相的含量，从而增加了纤维的密度,使纤维的性能有所提高。

鉴于粉末一溶胶混合法的优点，笔者采用此方法制备长的性能优异的PZT 陶瓷纤维，采用固相反应法制备PZT粉体，同时制备PZT溶胶，然后PZT粉料加入到具有可纺丝性的溶胶中充分搅拌均匀，放入自制的挤压模具中，控制加压速度挤出PZT压电陶瓷纤维。其中影响纤维性能的因素主要有溶胶的粘度、粉末与溶胶的混合比例、烧结温度、加压值、挤压比、挤压速率、挤压温度等。2.2.3共挤压法

共挤压法(microfabrication by coexrusion，MFCX )是制备中空纤维的一种方法。将压电陶瓷粉料PZT和炭黑粉料分别与热塑性聚合物、聚乙烯乙二醇、硬脂酸和矿物油混匀，分别用挤压模具挤压成圆柱状，然后根据最终纤维壁厚的要求，使得PZT圆柱中间需要去除的圆柱的尺寸刚好与炭黑圆柱的尺寸相同，将炭黑圆柱嵌入PZT圆筒中，再将整体嵌套于方形的炭黑中形成预制棒，然后在挤压模具中挤出得到理想尺寸的纤维, 热处理过程中去除有机物及炭黑，经烧结得到PZT压电陶瓷中空纤维。其过程如图2所示，通过改变挤压模具中进出口的比例可以改变纤维的尺寸传统制备中空纤维的方法是通过制备中空纤维的模芯来改变纤维的壁厚，与之相比，MFCX 法有其自身的优势：(1)改变中空纤维的壁厚时，不需要重新做模具, 只要改变预制棒的尺寸，既降低成本又节约时间；

(2)由于未经处理的纤维有机物及炭黑的存在，增加了生坯纤维的强度。

图2 中空纤维的制备过程

2.2.4切割法