CN112279641A - 一种压电纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电材料技术领域，尤其涉及一种压电纤维及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将PZT前驱体溶胶和PZT粉体混合形成浆料；准备模具，且所述模具至少具有直径均匀的管状部，所述浆料被挤入至所述管状部中；将装料后的所述模具置于饱和的铅氛围中进行埋烧，埋烧温度为1200℃‑1300℃，得到所述压电纤维。本申请实施例具有制备方法操作简单、成本低的优点，且通过该制备方法能够得到直径均匀、致密性高的压电纤维。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料技术领域，尤其涉及一种压电纤维及其制备方法。
背景技术
压电材料是指由于静压力变化或温度改变而产生相应感应电荷变化的材料。这种材料能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化。在各类压电材料中，压电纤维由于优异的压电性能及特殊结构的各向异性而受到广泛的关注。
目前，压电纤维的制备方法主要是溶胶凝胶法和纺丝法等方法。但是通过这些方法难以得到致密性高且直径均匀的压电纤维，导致压电纤维的实际应用有限。此外，目前的压电纤维制备工艺也存在工艺复杂且成本昂贵等缺点，实有必要对其进行改进。
发明内容
本申请实施例公开了一种压电纤维及其制备方法，通过对制备方法的改进以解决现有制备方法难以制得致密且直径均匀的压电纤维、制备方法较复杂且成本较昂贵的问题。
第一个方面，本申请实施例公开一种压电纤维的制备方法，包括以下步骤：
混合：将PZT前驱体溶胶和PZT粉体混合形成浆料；
装料：将所述浆料添加到模具中，且所述模具至少具有直径均匀的管状部，所述浆料被挤入至所述管状部中；
埋烧：将装料后的所述模具置于饱和的铅氛围中进行埋烧，埋烧温度为1200℃-1300℃，得到所述压电纤维。
本申请实施例具有制备方法操作简单、成本低的优点，且通过该制备方法能够得到直径均匀、致密性高的压电纤维。一方面，由于浆料挤入至直径均匀且耐高温的管状部后再进行烧结，故有利于通过方便的操作就可以实现对浆料的密实填充，利于压电纤维成型；另一方面，通过在1200℃-1300℃的温度条件下进行埋烧，有利于使压电纤维的结晶成型较好，尤其是将模具置于饱和的铅氛围中进行埋烧，能够防止高温烧结的过程中压电纤维中铅这一成分的挥发损失，不仅保证了压电纤维的致密性较好，而且还保证了压电纤维的压电性能良好。此外，由于用于制备压电纤维的原料分别是PZT前驱体溶胶和PZT粉体，也就是说制备过程中，PZT前驱体溶胶挥发产生的仍然是PZT材料，故其在一定程度上也能够对PZT压电纤维进行填补，避免压电纤维在埋烧过程中有铅成分的损失。
其中，PZT是指锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectricceramics，PZT)。
进一步地，在所述混合的步骤中，所述PZT粉体占所述PZT粉体与所述PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为85％-90％。
PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的85％-90％时，既能够保证最终压电纤维具有良好的压电性能，又能够使PZT粉体在PZT前驱体溶胶中的分布较为均匀，有助于压电纤维更好的成型。
进一步地，所述混合的步骤为：将所述PZT粉体与所述PZT前驱体溶胶混合，振荡2小时-4小时得到混合均匀的所述浆料。
通过2小时-4小时的振荡，能够使PZT粉体在PZT前驱体溶胶的混合更加充分、均匀，有助于压电纤维更好的成型，使制得的压电纤维更加致密且压电性能良好。
进一步地，所述模具为不锈钢针管，所述浆料通过不锈钢针筒挤入至直径均匀的所述不锈钢针管中。
巧妙地利用不锈钢针管进行装料，不仅能够方便地使浆料更加密实的填充在不锈钢针管中，而且不锈钢针管具有耐高温的特点，能够耐受住1200℃-1300℃的高温烧结，因此能够大幅降低压电纤维的制备难度及成本，在优化方法的同时，还能够保证最终制得压电纤维的致密性和均匀性。
进一步地，所述不锈钢针管的内径为0.3mm-1mm。
采用内径为0.3mm-1mm的不锈钢针管，可以得到0.3mm-1mm的压电纤维。通过选择特定内径的不锈钢针管，能够方便地得到不同直径要求的压电纤维。
进一步地，在所述埋烧的步骤中，所述饱和的铅氛围是氧化铝和氧化铅的混合粉体在埋烧过程中形成的铅氛围，所述埋烧的步骤为：将所述模具埋入到所述混合粉体中，并将所述混合粉体放入烧结载体中进行烧结，使所述浆料转化为所述压电纤维。
采用氧化铝和氧化铅的混合粉体作为浆料转变成压电纤维过程中的保护材料，能够在1200℃-1300℃形成稳定的饱和铅氛围。其中，氧化铝和氧化铅二者相辅相成，起到协同作用。利用氧化铝作为氧化铅的载体，使原本不能耐受1200℃-1300℃高温的氧化铅，能够在1200℃-1300℃的条件下形成稳定的饱和铅氛围，进而通过将装有浆料的模具埋入到混合粉体中进行烧结，来利用埋烧过程所形成的饱和的铅氛围防止烧结过程里压电纤维中铅这一成分的挥发。
进一步地，在所述埋烧的步骤中，所述氧化铝与所述氧化铅的质量比为1:4。
当氧化铝与氧化铅的质量比为1:4时，能够更好的保证所形成的铅氛围的饱和程度及稳定程度，以及保证埋烧后压电纤维能够方便地分离。若氧化铅较多，由于氧化铅本身不能耐受1200℃的高温，氧化铅会在高温烧结过程中先熔融，直接与压电纤维粘接在一起，导致压电纤维难以分离。若氧化铝过多，则不利于饱和的铅氛围的稳定形成。
进一步地，在所述混合的步骤之前，所述制备方法还包括制备溶胶的步骤，所述制备溶胶的步骤为：分别取含Pb原料、含Ti原料、含Zr原料进行混合得到混合溶液，对所述混合溶液调节pH、搅拌、静置，得到所述PZT前驱体溶胶；其中，按照物质的量比计，所述含Pb原料中的Pb、所述含Zr原料中的Zr、所述含Ti原料中的Ti之比为1.1:0.52:0.48至1.2:0.52:0.48。
通过将Pb:Zr:Ti三者的物质的量之比控制在1.1:0.52:0.48至1.2:0.52:0.48的范围内，既能够保证最终压电纤维的性能优异，又能够通过稍加过量的Pb含量来弥补Pb在后续烧结过程中易挥发导致Pb含量降低的问题。
进一步地，在所述制备溶胶的步骤中，向所述混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌2小时-4小时，然后将搅拌后的所述混合溶液放置在空气中静置20小时-30小时，得到均一透明的所述PZT前驱体溶胶。
通过调节pH至3-4，并在磁力条件下搅拌2小时-4小时，能够得到性质良好的PZT前驱体溶胶，以供后续步骤中与PZT粉体共同作用，实现压电纤维的制备。
进一步地，所述含Pb原料为PbC4H6O4·3H2O，所述制备溶胶的步骤包括：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1mol/L-1.5mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液。
进一步地，所述含Ti原料为C16H36O4Ti，所述制备溶胶的步骤还包括：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到0.8mol/L-1.2mol/L的C16H36O4Ti溶液。
进一步地，所述含Zr原料为N4O12Zr·5H2O，所述制备溶胶的步骤还包括：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.5mol/L-0.8mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
通过上述配制步骤，能够得到指定浓度范围的含Pb原料、含Ti原料和含Zr原料，方便制备PZT前驱体溶胶时控制合适的物质的量比，得到性能较好的溶胶。
第二个方面，本申请实施例公开一种使用第一个方面的制备方法制得的压电纤维，该压电纤维具有致密性高且直径均匀的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例一至三所述压电纤维的制备方法的工艺流程图；
图2是本申请实施例一中压电纤维的扫描电镜图；
图3是本申请实施例六中烧结装置的结构示意图；
图4是本申请实施例六中模具的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
下面将结合具体实施例和附图对本申请的技术方案作进一步的说明。
本申请实施例提供一种压电纤维，该压电纤维的制备方法包括以下步骤：
混合：将PZT前驱体溶胶和PZT粉体混合形成浆料；
装料：将上述浆料添加到模具中，且模具至少具有直径均匀的管状部，浆料被挤入至管状部中；
埋烧：将装料后的模具置于饱和的铅氛围中进行埋烧，埋烧温度为1200℃-1300℃，得到所述压电纤维。
上述制备方法具有操作简单、成本低的优点，通过上述制备方法制得的压电纤维具有直径均匀、致密性高的优点。这能够很好地克服相关技术中采用纺丝法等制备方法时，存在压电纤维的致密性差等缺点。
为了解决相关技术中压电纤维不够致密导致使用受限的问题，本申请很巧妙地使用一种耐高温的模具，且该模具中具有直径均匀的管状部，通过将PZT粉体与PZT前驱体溶胶混合后形成的浆料挤入至管状部的操作，能够使浆料在管状部中更加密实的填充，从而为后续得到致密的压电纤维提供基础条件。在此基础上，本申请还将装有浆料的模具放置到饱和的铅氛围中进行埋烧，利用1200℃-1300℃的高温使浆料烧结成结晶成型效果较好的压电纤维，并利用饱和的铅氛围来放置上述高温烧结过程中压电纤维中铅这一成分的挥发损失，由此来保证最终制得的压电纤维致密、直径均匀。此外，由于用于制备压电纤维的原料分别是PZT前驱体溶胶和PZT粉体，也就是说制备过程中，PZT前驱体溶胶挥发产生的仍然是PZT材料，故其在一定程度上也能够对PZT压电纤维进行填补，避免压电纤维在埋烧过程中有铅成分的损失。
其中，PZT粉体是指锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanatepiezoelectric ceramics，PZT)材料。
其中，埋烧温度为1200℃-1300℃包括该温度范围内的任一点值，例如埋烧温度为1200℃、1210℃、1230℃、1250℃、1280℃或1300℃。
可以理解的是，在本申请实施例中，模具是指该制备方法的条件下，能够耐受住1200℃-1300℃高温的模具，该模具的耐高温特性能够保证装料后的模具在1200℃-1300℃进行埋烧时，模具不会发生性质变化而影响压电纤维的生成或者影响制得的压电纤维与模具分离。例如，该模具不会在1200℃-1300℃进行埋烧时，出现软化变形、熔化成液态无定型结构等情况。
本申请实施例中，在混合的步骤中，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为85％-90％。
PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的85％-90％时，既能够保证最终压电纤维具有良好的压电性能，又能够使PZT粉体在PZT前驱体溶胶中的分布较为均匀，有助于压电纤维更好的成型。对于本实施例的压电纤维而言，其中的PZT含量越高时，越有利于提高压电纤维的压电性能。然而PZT含量过高时，虽然也能够得到比采用纺丝法更致密的压电纤维，但是总体上并不如PZT粉体占比为85％-90％比例时那样，较容易成型得到结晶成型效果更好的压电纤维。
其中，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为85％-90％包括该质量百分比范围内的任一点值，例如，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为85％、86％、87％、88％、89％或90％。
本申请实施例中，混合的步骤为：将PZT粉体与PZT前驱体溶胶混合，振荡2小时-4小时得到混合均匀的浆料。通过2小时-4小时的振荡，能够使PZT粉体在PZT前驱体溶胶中的混合更加充分、均匀，有助于压电纤维更好的成型，使制得的压电纤维更加致密且压电性能良好。其中，振荡2小时-4小时包括该振荡时间内的任一点值，例如振荡2小时、2.2时、2.5小时、3小时、3.2小时、3.5小时、3.8小时或4小时。
如前文所述，本申请中模具是指在本申请制备方法的条件下，能够耐受住1200℃-1300℃高温的模具。作为可选的实施方式，该模具可以为不锈钢针管，也可以是耐1200℃高温特种玻璃制成的玻璃管，还可以是碳化硅陶瓷制成的陶瓷管、刚玉管，只要具有直径均匀的管状部、能够耐受1200℃-1300℃高温，且不在该高温条件下与浆料发生反应或粘连压电纤维而影响其分离即可，在此不做限制。
优选地，本申请实施例中的模具采用不锈钢针管，浆料通过不锈钢针筒挤入至直径均匀的不锈钢针管中。
通过巧妙地利用不锈钢针筒将浆料挤入不锈钢针管这一装料方式，不仅能够方便地使浆料更加密实的填充到不锈钢针管中，而且不锈钢针管具有耐高温的特点，能够耐受住1200℃-1300℃的高温烧结，因此能够大幅降低压电纤维的制备难度及成本，在优化方法的同时，还能够保证最终制得压电纤维的致密性和均匀性。
优选地，不锈钢针管的内径为0.3mm-1mm。
其中，不锈钢针管的内径0.3mm-1mm包括数值范围内的任一点值，例如不锈钢针管的内径为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm或1mm。
采用内径为0.3mm-1mm的不锈钢针管进行浆料的填充，最终就可以得到0.3mm-1mm的压电纤维。实际上，本申请也可以根据想要得到的压电纤维的直径，来选择其他不同内径的不锈钢针管，从而使得利用不锈钢针管制备压电纤维的方法能够更加灵活的得到不同直径压电纤维。
在埋烧的步骤中，饱和的铅氛围是氧化铝和氧化铅的混合粉体在埋烧过程中形成的铅氛围，埋烧的步骤为：将模具埋入到混合粉体中，并将混合粉体放入烧结载体中进行烧结，使浆料转化为压电纤维。
考虑到本申请要制备的是PZT的压电纤维，其是一种含铅的压电材料，而铅在高温下极易会发。采用常规的高温烧结所得到的PZT压电纤维，会因为铅的挥发而导致压电纤维致密性很差，纤维中出现较多气孔，而且铅成分的挥发也会影响压电纤维内部的晶粒生长，使晶粒大小不一、排列分散。因此，本申请实施例利用氧化铝和氧化铅的混合粉体在1200℃-1300℃能够形成饱和的铅氛围，来避免形成压电纤维过程中，压电纤维中铅成分的挥发。
其中，将装料后的模具置于饱和的铅氛围，能够有效避免所制得的压电纤维因其中的铅挥发而造成缺位问题，也就是说饱和的铅氛围是得到均匀、致密的压电纤维的重要条件。在本申请实施例中，当使用氧化铅作为形成饱和的铅氛围的主要物质时，若埋烧后的粉末中还有微黄色的粉末时，表示氧化铅并未完全挥发掉，也即埋烧过程中形成的是饱和的铅氛围。
其中，氧化铝和氧化铅二者相辅相成，起到协同作用，以防止铅成分的挥发。具体是，仅使用氧化铝并不能有效提供铅成分，形成不了铅氛围，无法对压电纤维中挥发的铅进行补充。若全部使用氧化铅，由于氧化铅无法耐受1200℃的高温，则一方面氧化铅在埋烧温度条件下会先熔融，进而直接与压电纤维粘结在一起，导致压电纤维不能分离；另一方面，氧化铅也不能在此埋烧温度条件下提供稳定的铅氛围，必须要降低对浆料的烧结温度。但是本申请发明人在研究过程中发现，如果降低烧结温度，例如将烧结温度降低到1000℃-1100℃，则会对压电纤维的结晶成相效果产生影响，使制备出来的压电纤维并不如预期的那样致密、不疏松。
故本申请利用氧化铝作为氧化铅的载体，使原本不能耐受1200℃-1300℃高温的氧化铅，能够在1200℃-1300℃的条件下形成稳定的饱和铅氛围，进而通过将装有浆料的模具埋入到混合粉体中进行烧结，来利用埋烧过程所形成的饱和的铅氛围防止烧结过程里压电纤维中铅这一成分的挥发，从而保证了压电纤维的致密、无气孔，也因为避免了很多气孔的生成，再结合1200℃-1300℃的烧结条件，从而使得最终生成的压电纤维具有优异的结晶成相效果，同时满足压电纤维的良好压电性能、较高致密性、均匀的直径。
具体地，在埋烧的步骤中，氧化铝与氧化铅的质量比为1:4。
当氧化铝与氧化铅的质量比为1:4时，能够更好的保证所形成的铅氛围的饱和程度及稳定程度，以及保证埋烧后压电纤维能够方便地分离。若氧化铝较多，氧化铝会在高温烧结过程中先熔融，直接与压电纤维粘接在一起，导致压电纤维难以分离。若氧化铅过多，则不利于饱和的铅氛围的稳定形成，氧化铅本身不能耐受1200℃的高温，正常情况下在此温度条件下已经几乎全部挥发。故采用氧化铝与氧化铅的质量比为1:4的方案，以氧化铝作为氧化铅的载体，能够很好地兼顾饱和铅氛围的稳定性，以及制备压电纤维后压电纤维的易分离性。
此外，本申请实施例的制备方法中，还包括在混合的步骤之前进行制备PZT前驱体溶胶的步骤：分别取含Pb原料、含Ti原料、含Zr原料进行混合得到混合溶液，对混合溶液调节pH、搅拌、静置，得到PZT前驱体溶胶；其中，按照物质的量比计，含Pb原料中的Pb、含Zr原料中的Zr、含Ti原料中的Ti之比为1.1:0.52:0.48至1.2:0.52:0.48。
通过将Pb:Zr:Ti三者的物质的量之比控制在1.1:0.52:0.48至1.2:0.52:0.48的范围内，既能够保证最终压电纤维的性能优异，又能够通过稍加过量的Pb含量来弥补Pb在后续烧结过程中易挥发导致Pb含量降低的问题。具体是，一般条件下，Pb:Zr:Ti三者的物质的量之比为1:0.52:0.48即可，但是本申请实施例增加了Pb的用量比例，以减少Pb在高温烧结过程中的挥发损失。
具体地，在制备溶胶的步骤中，向混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌2小时-4小时，然后将搅拌后的混合溶液放置在空气中静置20小时-30小时，得到均一透明的PZT前驱体溶胶。
通过调节pH至3-4，并在磁力条件下搅拌2小时-4小时，能够得到性质良好的PZT前驱体溶胶，以供后续步骤中与PZT粉体共同作用，实现压电纤维的制备。
进一步地，含Pb原料为PbC4H6O4·3H2O，制备溶胶的步骤包括：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1mol/L-1.5mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液。
进一步地，含Ti原料为C16H36O4Ti，制备溶胶的步骤还包括：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到0.8mol/L-1.2mol/L的C16H36O4Ti溶液。
进一步地，含Zr原料为N4O12Zr·5H2O，制备溶胶的步骤还包括：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10分钟-20分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.5mol/L-0.8mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
通过上述配制步骤，能够得到指定浓度范围的含Pb原料、含Ti原料和含Zr原料，方便制备PZT前驱体溶胶时控制合适的物质的量比，得到性能较好的溶胶。
鉴于相关技术在制备压电纤维时，难以克服所制得的压电纤维较疏松、不致密的问题，本申请发明人从制备过程中PZT前驱体溶胶的制备、PZT粉体的分散均匀程度、材料的填充、烧结时铅成分的损失、烧结条件等方面都进行了一定改进，最终才探索出一种压电纤维的制备方法，使其在操作简单、制备成本较低的同时，还能够得到致密、直径均匀、压电性能良好的压电纤维，拓宽了压电纤维的使用范围。
以下通过具体实施例对本申请实施例进行更详细说明。
实施例一
本申请实施例提供一种压电纤维，如图1所示，该压电纤维的制备方法包括以下步骤：
配制PZT前驱体溶胶：分别取PbC4H6O4·3H2O溶液、C16H36O4Ti溶液、N4O12Zr·5H2O溶液，按照Pb：Zr：Ti的物质的量之比为1.1:0.52:0.48进行混合得到混合溶液，向混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌3小时，然后将搅拌后的混合溶液放置在空气中静置24小时，得到均一透明淡黄色的PZT前驱体溶胶。
其中，PbC4H6O4·3H2O溶液的配制步骤为：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1.2mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液。
其中，C16H36O4Ti溶液的配制步骤为：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到1mol/L的C16H36O4Ti溶液。
其中，N4O12Zr·5H2O溶液的配置步骤为：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.6mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
混合：称取PZT粉体与制备好的PZT前驱体溶胶进行混合，使用球磨机对混合后的液体进行振荡2小时，得到混合均匀的浆料；其中，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为85％。
装料：准备内径为1mm的不锈钢针管，通过不锈钢针筒将上述混合均匀的浆料挤入至不锈钢针管中；其中，不锈钢针管具有直径均匀的管状部，浆料位于该管状部中，同时该不锈钢针管耐受1200℃-1300℃的高温烧结。
埋烧：将装料后的不锈钢针管埋入到氧化铝和氧化铅组成的混合粉体中，并将混合粉体放入烧结载体中在1200℃进行烧结，使浆料转化为压电纤维；其中，烧结载体为磁舟或者坩埚，氧化铝与氧化铅的质量比为1:4，且氧化铝与氧化铅所组成的混合粉体在1200℃进行烧结时会形成饱和的铅氛围，从而可以利用这种饱和的铅氛围，有效防止压电纤维在1200℃烧结温度下的挥发。
由此，通过上述制备方法可以制得一种致密性高且直径均匀的压电纤维，该压电纤维的扫描电镜图如图2所示，由该图可以看出，确实得到一种致密且直径较为均匀的压电纤维。
在本实施例中，通过PZT前驱体溶胶来分散PZT粉体，并通过调整二者的用量配比，控制PZT粉体的质量在PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和中的占比高达85％，来同时兼顾压电纤维的结晶成相特点、压电能力。在此基础上，还利用不锈钢针管方便但又密实地填充浆料这一手段，来保证浆料转化为压电纤维时，压电纤维的致密程度。与此同时，还通过将装料后的模具在氧化铝和氧化铅的混合粉体中在1200℃埋烧，以保证混合粉体所形成的饱和的铅氛围能够对浆料转化压电纤维的过程进行保护，避免此过程中压电纤维中铅这一成分挥发出来，也就避免了压电纤维中产生较多气孔、内部晶粒大小不一的问题。此外，除了上述饱和的铅氛围，本实施例采用的PZT前驱体溶胶由于其挥发后也仍然是PZT，故能够在一定程度上弥补Pb挥发后的损失。可见，本实施例通过上述各步骤以及工艺条件、用料配比的优化，最终确实得到了致密性高且直径均匀的压电纤维。并且，由于可以巧妙地利用不锈钢针管对浆料进行密实地挤压，故使制备方法得到简化、成本也有所降低。
实施例二
本申请实施例提供一种压电纤维，该压电纤维的制备方法包括以下步骤：
配制PZT前驱体溶胶：分别取PbC4H6O4·3H2O溶液、C16H36O4Ti溶液、N4O12Zr·5H2O溶液，按照Pb：Zr：Ti的物质的量之比为1.15:0.52:0.48进行混合得到混合溶液，向混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌3小时，然后将搅拌后的混合溶液放置在空气中静置24小时，得到均一透明淡黄色的PZT前驱体溶胶。
其中，PbC4H6O4·3H2O溶液的配制步骤为：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液。
其中，C16H36O4Ti溶液的配制步骤为：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到0.8mol/L的C16H36O4Ti溶液。
其中，N4O12Zr·5H2O溶液的配置步骤为：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.5mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
混合：称取PZT粉体与制备好的PZT前驱体溶胶进行混合，使用球磨机对混合后的液体进行振荡4小时，得到混合均匀的浆料；其中，PZT粉体为PZT粉体，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为87％。
装料：准备内径为0.3mm的不锈钢针管，通过不锈钢针筒将上述混合均匀的浆料挤入至不锈钢针管中；其中，不锈钢针管具有直径均匀的管状部，浆料位于该管状部中，同时该不锈钢针管耐受1200℃-1300℃的高温烧结。
埋烧：将装料后的不锈钢针管埋入到氧化铝和氧化铅组成的混合粉体中，并将混合粉体放入烧结载体中在1300℃进行烧结，使浆料转化为压电纤维；其中，烧结载体为磁舟或者坩埚，氧化铝与氧化铅的质量比为1:4，且氧化铝与氧化铅所组成的混合粉体在1300℃进行烧结时会形成饱和的铅氛围，从而可以利用这种饱和的铅氛围，有效防止压电纤维在1300℃烧结温度下的挥发。
由此，通过上述制备方法可以制得一种致密性高且直径均匀的压电纤维。
在本实施例中，通过PZT前驱体溶胶来分散PZT粉体，并通过调整二者的用量配比，控制PZT粉体的质量在PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和中的占比高达87％，来同时兼顾压电纤维的结晶成相特点、压电能力。在此基础上，还利用不锈钢针管方便但又密实地填充浆料这一手段，来保证浆料转化为压电纤维时，压电纤维的致密程度。与此同时，还通过将装料后的模具在氧化铝和氧化铅的混合粉体中在1300℃埋烧，以保证混合粉体所形成的饱和的铅氛围能够对浆料转化压电纤维的过程进行保护，避免此过程中压电纤维中铅这一成分挥发出来，也就避免了压电纤维中产生较多气孔、内部晶粒大小不一的问题。此外，除了上述饱和的铅氛围，本实施例采用的PZT前驱体溶胶由于其挥发后也仍然是PZT，故能够在一定程度上弥补Pb挥发后的损失。可见，本实施例通过上述各步骤以及工艺条件、用料配比的优化，最终确实得到了致密性高且直径均匀的压电纤维。并且，由于可以巧妙地利用不锈钢针管对浆料进行密实地挤压，故使制备方法得到简化、成本也有所降低。
实施例三
本申请实施例提供一种压电纤维，如图1所示，该压电纤维的制备方法包括以下步骤：
配制PZT前驱体溶胶：分别取PbC4H6O4·3H2O溶液、C16H36O4Ti溶液、N4O12Zr·5H2O溶液，按照Pb：Zr：Ti的物质的量之比为1.2:0.52:0.48进行混合得到混合溶液，向混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌3小时，然后将搅拌后的混合溶液放置在空气中静置24小时，得到均一透明淡黄色的PZT前驱体溶胶。
其中，PbC4H6O4·3H2O溶液的配制步骤为：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1.5mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液。
其中，C16H36O4Ti溶液的配制步骤为：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到1.2mol/L的C16H36O4Ti溶液。
其中，N4O12Zr·5H2O溶液的配置步骤为：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌15分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.8mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
混合：称取PZT粉体与制备好的PZT前驱体溶胶进行混合，使用球磨机对混合后的液体进行振荡3小时，得到混合均匀的浆料；其中，PZT粉体为PZT粉体，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为90％。
装料：准备内径为0.5mm的不锈钢针管，通过不锈钢针筒将上述混合均匀的浆料挤入至不锈钢针管中；其中，不锈钢针管具有直径均匀的管状部，浆料位于该管状部中，同时该不锈钢针管耐受1200℃-1300℃的高温烧结。
埋烧：将装料后的不锈钢针管埋入到氧化铝和氧化铅组成的混合粉体中，并将混合粉体放入烧结载体中在1250℃进行烧结，使浆料转化为压电纤维；其中，烧结载体为磁舟或者坩埚，氧化铝与氧化铅的质量比为1:4，且氧化铝与氧化铅所组成的混合粉体在1250℃进行烧结时会形成饱和的铅氛围，从而可以利用这种饱和的铅氛围，有效防止压电纤维在1250℃烧结温度下的挥发。
由此，通过上述制备方法可以制得一种致密性高且直径均匀的压电纤维。
在本实施例中，通过PZT前驱体溶胶来分散PZT粉体，并通过调整二者的用量配比，控制PZT粉体的质量在PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和中的占比高达90％，来同时兼顾压电纤维的结晶成相特点、压电能力。在此基础上，还利用不锈钢针管方便但又密实地填充浆料这一手段，来保证浆料转化为压电纤维时，压电纤维的致密程度。与此同时，还通过将装料后的模具在氧化铝和氧化铅的混合粉体中在1250℃埋烧，以保证混合粉体所形成的饱和的铅氛围能够对浆料转化压电纤维的过程进行保护，避免此过程中压电纤维中铅这一成分挥发出来，也就避免了压电纤维中产生较多气孔、内部晶粒大小不一的问题。此外，除了上述饱和的铅氛围，本实施例采用的PZT前驱体溶胶由于其挥发后也仍然是PZT，故能够在一定程度上弥补Pb挥发后的损失。可见，本实施例通过上述各步骤以及工艺条件、用料配比的优化，最终确实得到了致密性高且直径均匀的压电纤维。并且，由于可以巧妙地利用不锈钢针管对浆料进行密实地挤压，故使制备方法得到简化、成本也有所降低。
实施例四
本实施例与实施例一的区别仅在于，在本实施例中，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为93％。通过本实施例虽然也能够得到压电纤维，但由于PZT材料的含量较高，导致PZT材料在聚乙烯醇中的混合均匀性有一定难度，使得本实施例压电纤维的致密程度虽然比以下对比例一中压电纤维的致密性好，但是并不如实施例一中压电纤维的致密性好。
实施例五
本实施例与实施例一的区别仅在于，在本实施例中，PZT粉体占PZT粉体与PZT前驱体溶胶质量总和的质量百分比为80％。通过本实施例虽然也能够得到直径均匀且致密性好的压电纤维，但是其压电性能弱于实施例一中压电纤维的致密性。
实施例六
本实施例提供一种烧结装置，用于实施例一至三所述的制备方法中埋烧的步骤使用。如图3和图4所示，该烧结装置包括：
具有空腔的烧结载体1；
混合粉体承载容器2，混合粉体承载容器2放置在烧结载体1的空腔中；
耐高温的模具3，模具3放置在混合粉体承载容器2中。
其中，烧结载体1为磁舟或者坩埚，通过加热烧结载体1为其空腔中的混合粉体承载容器2提供烧结的高温。
其中，混合粉体承载容器2用于在其内部放置装有浆料4的模具3，并且该混合粉体承载容器2中填充有用于形成饱和的铅氛围的混合粉体(例如氧化铅和氧化铝的混合粉体)，使模具3埋在混合粉体中。
其中，模具3可以根据实际需求在混合粉体承载容器内设置一个或者多个，模具为不锈钢针管。
在上述烧结装置中，通过对烧结载体1进行加热，以实现对混合粉体承载容器2内部的混合粉体和装有浆料的模具3进行加热，混合粉体在1200℃-1300℃烧结条件下形成饱和的铅氛围，模具3中的浆料在1200℃-1300℃烧结条件下转变为压电纤维。
对比例一
本对比例与实施例一的区别仅在于，本对比例未采用不锈钢针管等耐高温且具有直径均匀管状部的模具，而是在混合得到浆料后，直接由挤型机进行挤压成型、烧结。通过本对比例得到的压电纤维既不均匀、也不致密，并不能够真正满足压电纤维的使用要求。
对比例二
本对比例与实施例一的区别仅在于，埋烧温度为1000℃。通过本对比例得到的压电纤维其结晶成相效果不佳，压电性能不好。
以上对本发明实施例公开的一种压电纤维及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的压电纤维及其制备方法的产品及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种压电纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
混合：将PZT前驱体溶胶和PZT粉体混合形成浆料；
装料：将所述浆料添加到模具中，且所述模具至少具有直径均匀的管状部，所述浆料被挤入至所述管状部中；
埋烧：将装料后的所述模具置于饱和的铅氛围中进行埋烧，埋烧温度为1200℃-1300℃，得到所述压电纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述混合的步骤中，所述PZT粉体占所述PZT粉体与所述PZT前驱体溶胶的质量总和的质量百分比为85％-90％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合的步骤为：将所述PZT粉体与所述PZT前驱体溶胶混合，振荡2-4小时得到混合均匀的所述浆料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模具为不锈钢针管，所述浆料通过不锈钢针筒挤入至直径均匀的所述不锈钢针管中。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述埋烧的步骤中，所述饱和的铅氛围是氧化铝和氧化铅的混合粉体在埋烧过程中形成的铅氛围，所述埋烧的步骤为：将所述模具埋入到所述混合粉体中，并将所述混合粉体放入烧结载体中进行烧结，使所述浆料转化为所述压电纤维。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述埋烧的步骤中，所述氧化铝与所述氧化铅的质量比为1:4。
7.根据权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述混合的步骤之前，所述制备方法还包括制备溶胶的步骤，所述制备溶胶的步骤为：分别取含Pb原料、含Ti原料、含Zr原料进行混合得到混合溶液，对所述混合溶液调节pH、搅拌、静置，得到所述PZT前驱体溶胶；其中，按照物质的量比计，所述含Pb原料中的Pb、所述含Ti原料中的Ti、所述含Zr原料中的Zr之比为1.1:0.52:0.48至1.2:0.52:0.48。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述制备溶胶的步骤中，向所述混合溶液中加入乙酰丙酮和乙酸，调节pH至3-4，磁力搅拌2-4小时，然后将搅拌后的所述混合溶液放置在空气中静置20小时-30小时，得到均一透明的所述PZT前驱体溶胶。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述含Pb原料为PbC4H6O4·3H2O，所述制备溶胶的步骤包括：向PbC4H6O4·3H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10-20分钟至PbC4H6O4·3H2O均匀分散，配制得到1-1.5mol/L的PbC4H6O4·3H2O溶液；
所述含Ti原料为C16H36O4Ti，所述制备溶胶的步骤还包括：向C16H36O4Ti中加入乙二醇甲醚，搅拌10-20分钟至C16H36O4Ti均匀分散，配制得到0.8-1.2mol/L的C16H36O4Ti溶液；
所述含Zr原料为N4O12Zr·5H2O，所述制备溶胶的步骤还包括：向N4O12Zr·5H2O中加入乙二醇甲醚，搅拌10-20分钟至N4O12Zr·5H2O均匀分散，配制得到0.5-0.8mol/L的N4O12Zr·5H2O溶液。
10.一种压电纤维，其特征在于，所述压电纤维通过如权利要求1至9任一项所述的制备方法制得。
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