[发明专利]压电陶瓷纤维的制法

说明书

技术领域

本发明与压电陶瓷纤维有关，特别有关压电陶瓷纤维的制法。

背景技术

所谓压电效应有两种，即正压电效应及逆压电效应。当压电体受到电场作用时，电偶极矩会被拉长，压电体会沿电场方向伸长，即将电能转换为机械能。反之，对压电体施加压力，体内的电偶极矩会随材质的压缩而变短，此时压电体内为抵抗这种趋势，将产生电压以保持原状态。因此，压电材料具有机械能与电能之间来回转换的特性。故压电材料广泛地使用于运动感应器、致动器、转换器、微定位器、振动检测以及超音波产生器等用途。

传统压电材料多为块材型式，其质地坚硬易碎，机电转换输出受到限制，而局限了压电材料的发展运用。若能将压电材料纤维化，借由纤维化后的高长宽比，以提高其形变能力而大幅增加其压电特性、灵敏度与机电耦合系数，尤其纤维化后的压电材料再结合高弹性树脂材料形成的压电复材可大幅提升其压电性与机械性能，进一步拓展压电材料的运用领域。近来，有研究开始将压电陶瓷如钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)纤维化，再将纤维集束与树脂灌注形成纤维复材，接着切割及研磨纤维复材成复材薄片，该复材薄片可用于制作宽音域的薄形喇叭。

目前，已有数种陶瓷纤维的制法被应用在压电陶瓷纤维的制造上。其中常见的溶胶-凝胶(sol-gel)法，例如美国专利US 5945029，该方法将有机金属盐类溶解在有机溶剂中；再加入蒸馏水使有机金属盐类进行水解、缩合反应形成溶胶；接着利用具有至少一个孔洞的纺丝器，将溶胶挤压成溶胶纤维；再借由干燥工艺将溶胶纤维内所含的水蒸发而转变为凝胶纤维(生胚)；及进行热解工艺充分去除凝胶纤维内所含的有机溶剂；最后对凝胶纤维进行烧结，制成压电陶瓷纤维。该制造方法的主要缺点是步骤复杂且所利用的有机金属盐类与有机溶剂通常带有毒性。为了解决溶剂问题，需在工艺中设置抽气设备及后续废气处理设备，因而增加设备成本及工艺的复杂性。

此外，美国专利US 6451059提出一种胶状悬浮液纺丝的方法(Viscous suspension spinning process，VSSP)，首先将陶瓷粉末在含有硅酸盐界面活性剂的水溶液中磨浆形成浆料，接着将浆料倒入溶解有人造纤维的碱液中相互混合成混合物，然后借由具有100个孔洞的纺丝器，将混合物倒入硫酸溶液内凝固以制造陶瓷纤维。该方法的缺点在于需要大量使用硫酸溶液，且会导致硫酸残留在陶瓷纤维中而影响陶瓷纤维的特性。

另外，有提出利用挤压成型法制造压电陶瓷纤维。该方法将压电陶瓷粉末与粘结剂及交联剂水溶液均匀混合，以形成聚合物胶体。接着，将聚合物胶体借由挤型机挤压成型以形成陶瓷纤维生胚。然后，进行干燥及烧结步骤，即形成压电陶瓷纤维。虽然该方法工艺简单、成本低廉且不会造成环境污染，但是仍有挤压困难、纤维的可塑性不佳等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压电陶瓷纤维的制法，该制法能够顺利挤压成型，且挤出的压电陶瓷纤维的可塑性良好。

为达到上述目的，本发明提供一种压电陶瓷纤维的制法，该制法包括以下步骤：混合压电陶瓷粉末、粘结剂、交联剂、润滑剂及增塑剂，以形成浆料；对浆料进行挤压成型步骤，以形成压电陶瓷纤维生胚；及对压电陶瓷纤维生胚进行烧结步骤，以形成压电陶瓷纤维。

进一步地，所述润滑剂为丙三醇或二丙二醇。

进一步地，所述润滑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述增塑剂选自由聚乙烯乙二醇、1，3丁二醇、1，4丁二醇及苯醇所组成的族群。

进一步地，所述增塑剂的重量百分比介于0.5～2.5wt％。

进一步地，所述压电陶瓷粉末具有化学式ABO₃。化学式ABO₃中，A为铅、钡、镧(lanthanum)、锶(strontium)、钾或锂，B为钛、锆(zirconium)、锰、钴、铌(niobium)、铁、锌、镁、钇(yttrium)、锡、镍或钨。

进一步地，所述压电陶瓷粉末的尺寸介于0.1～1.0微米。

进一步地，所述压电陶瓷粉末的重量百分比介于70～95wt％。

进一步地，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚醋酸乙烯醇或聚丙烯酸酯。

进一步地，所述粘结剂的重量百分比介于3.5～20wt％。

进一步地，所述交联剂为含硼酸、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐或铝酸盐的水溶液。

进一步地，所述交联剂为浓度介于0.005～0.05M的水溶液。

进一步地，所述交联剂的重量百分比介于0.5～5wt％。