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摘要：本文概述了壓電纖維的製備工藝，總結了壓電陶瓷纖維研究已取得的成果，闡明了各種製備方法的優缺點及其改進的辦法，並對壓電纖維及其複合材料的研究進行了概述以及對應用前景進行了展望。
關鍵詞：壓電陶瓷纖維；製備；應用
1引言 壓電材料是在外力作用下發生變形時能產生電場，同時在電場作用下也能產生機械變形的材料。這類材料所固有的機一電耦合效應，使得壓電材料廣泛應用於感測和驅動領域中，但是傳統壓電陶瓷產品的一些缺點限制了它在實際中的應用。20世80年代，人們開始研究壓電陶瓷纖維的製備技術，並將纖維與聚合物基質復合製成壓電複合材料。
由於新增了聚合物相，所以它既保留了原有壓電材料靈敏度高、頻響高的優點，又大大改善了壓電陶瓷脆性大、柔軟性差的缺點，而且纖維材料具有的方向性，更適合於各項異性的應力波檢測。
目前，國外正致力於壓電纖維複合材料技術研究，關於壓電纖維製備的**頗多，有些技術已得到了廣泛的商業應用。例如，美國的研究人員正在積極開展其在飛機、超輕質量太空船和汽車等方面的應用，另外，以其為核心技術的感測器是目前進行工程結構健康監測的最先進方法，對於非均質材料及真實表面尤為適用。與國外的先進水平相比，國內對壓電陶瓷纖維的研究還只是處於起步階段。
2壓電陶瓷纖維的製備方法
2.1 溶膠-凝膠法
製備陶瓷纖維傳統的方法一般是將氧化物原料加熱到熔融狀態，熔融紡絲成形。然而，許多特種陶瓷材料熔點很高，熔體粘度很低，難以用傳統方法製備， 而溶膠-凝膠法(sol -gel method)的出現解決了這一難題。溶膠—凝膠工藝的主要特點有：
(1)可在較低溫度下得到功能陶瓷纖維；(2 )可以制得均勻性好、純度高的纖維；(3)可以獲得一些熔融法難以製備的纖維。
sol-gel法以無機鹽或金屬醇鹽為原料，將前驅物溶於溶劑中形成均勻溶液 ， 達到近似分子水平的混合；前驅物在溶劑中發生水解及醇解反應，同時進行縮聚反應，得到尺寸為奈米級的線性粒子組成的溶膠。當溶膠達到一定的粘度，在室溫下紡絲成形得到凝膠粒子纖維，經乾燥，燒結，晶化便可得到陶瓷纖維 。
linbo3是一種較早用sol -gel法製備的壓電陶瓷纖維材料，可用於聲表面波(saw )器件和電光器件。2023年，hirano等 li(oc2 h5)、nb(oc 2h5)5、h2o和c2 h5oh 配製前驅體溶液，通過選擇合適的濃度、加水量，得到可拉絲的溶膠，製作了linbo3凝膠纖維，把凝膠纖維在400~600℃之間進行熱處理，加熱速率為1 ℃／min，可得到直徑為10～1000μm的單相linbo3纖維。在500℃保溫1h 熱處理獲得晶態linbo3纖維，其密度為理論密度的90％以上，室溫介電常數約為10，與固相反應制得的多晶linbo3，材料一致，但比單晶的小。
另外，linbo3 纖維的介電損耗為0.01~0.02。
yoko等採用溶膠—凝膠工藝製備了batio3纖維，前驅體溶液由ti(oc3 h7 ) 、ba(oc2h5)、h2o、c2h5oh 和ch3 cooh組成，在系統加人大量的ch3 cooh以獲得可拉絲溶膠。形成凝膠纖維後加熱至600℃以上可獲得單相鈣鈦礦 batio3纖維。
kamiya等通過控制pb—ti復合醇鹽的水解獲得了pbtio3纖維的溶膠。其研究結果顯示，含水量少的溶膠有利於獲得更好的非晶pbtio3纖維，而含水量大的溶膠可以獲得高結晶度的鈣鈦礦pbtio3纖維。製備pbtio3纖維時，需加入過量2％(質量分數)的pbo和1％(質量分數)的mn2o3至纖維中，即可有效地避免乾燥過程中纖維開裂，並且這樣得到的纖維密度可達理論值的94％。
鋯鈦酸鉛(pb(zr xti1-x )o3 )材料是最重要的鐵電壓電材料，其應用非常廣泛。因此，採用溶膠一凝膠工藝製備pzt纖維深受重視。王錄全等在溶膠一凝膠工藝基礎上製備出長pzt纖維。
圖1是其製備纖維的裝置。如圖所示，溼凝膠纖維繞在可調節直徑的滾筒上並可直接在滾筒上乾燥，從而避免了纖維再次纏繞及
乾燥過程中的收縮引起的斷裂。並且在氮氣的保護下，他們已實現了乾燥凝膠纖維在300℃時的連續熱解，獲得長達2m的熱解纖維，經煅燒和燒結成功製備出長pzt纖維。
圖1 纖維的製備裝置
2.2擠壓法
2.2.1傳統擠壓法
在陶瓷粉末中加入有機粘結劑及塑化劑使之成為可塑性的混合物料，通過特定的裝置，調節擠壓工藝引數(壓力值、擠壓比、擠壓速率等)可得壓電陶瓷纖維。bowen等用傳統擠壓法製備了pzt纖維，並研究了pzt纖維的效能。將原料pzt - 5a粉末、粘結劑pvb、溶劑、新增劑環己烷球磨混勻，擠壓得到直徑為250μm的纖維坯體，然後進行熱處理，以1℃／min公升溫速率至600℃保溫1h排膠 ， 再以5℃／min速率公升溫至1200℃保溫1h燒結，得到密度為7.
7(±0.1)mg／m3 ， d33為377pc／n的纖維。傳統擠壓法工藝較為簡單，但未經熱處理的纖維中有機成分含量較高，在燒結過程中體積收縮較大，有機物分解導致纖維的氣孔率高， 得到的纖維往往強度低、密度小。
2.2.2粉末-溶膠混合擠壓法
由於溶膠一凝膠紡絲法規模生產纖維時，需要特殊的工藝裝置且生產成本高，而傳統方法製備的纖維效能較差。於是qiu等提出了製備陶瓷纖維的新方法，即用粉末一溶膠混合擠出法製備了直徑為250μm的pb(nb ,ni)o3—pb(zr， ti)o3纖維坯體。該方法用pnn—pzt溶膠取代了有機粘結劑，溶膠在燒結過程中轉變為晶相，減少了燒結前粘結劑的排除過程，且增加了纖維中pnn—pzt晶相的含量，從而增加了纖維的密度,使纖維的效能有所提高。
鑑於粉末一溶膠混合法的優點，筆者採用此方法製備長的效能優異的pzt陶瓷纖維，採用固相反應法製備pzt粉體，同時製備pzt溶膠，然後pzt粉料加入到具有可紡絲性的溶膠中充分攪拌均勻，放入自製的擠壓模具中，控制加壓速度擠出pzt壓電陶瓷纖維。其中影響纖維效能的因素主要有溶膠的粘度、粉末與溶膠的混合比例、燒結溫度、加壓值、擠壓比、擠壓速率、擠壓溫度等。
2.2.3共擠壓法
共擠壓法 (microfabrication by coexrusion，mfcx )是製備中空纖維的一種方法。將壓電陶瓷粉料pzt和炭黑粉料分別與熱塑性聚合物、聚乙烯乙二醇、硬脂酸和礦物油混勻，分別用擠壓模具擠壓成圓柱狀，然後根據最終纖維壁厚的要求，使得pzt圓柱中間需要去除的圓柱的尺寸剛好與炭黑圓柱的尺寸相同，將炭黑圓柱嵌入pzt圓筒中，再將整體巢狀於方形的炭黑中形成預製棒，然後在擠壓模具中擠出得到理想尺寸的纖維, 熱處理過程中去除有機物及炭黑，經燒結得到pzt壓電陶瓷中空纖維。其過程如圖2所示，，與之相比，mfcx 法有其自身的優勢：
(1)改變中空纖維的壁厚時，不需要重新做模具, 只要改變預製棒的尺寸，既降低成本又節約時間；(2)由於未經處理的纖維有機物及炭黑的存在，增加了生坯纖維的強度。
圖2 中空纖維的製備過程
2.2.4切割法
此方法為一種較為簡單的方法，用傳統的方法製備陶瓷薄片，然後切割成所需要的尺寸。williams用此方法製備了用於壓電複合材料的纖維。在100gpzt粉料中加入20ml重量比為3％的聚乙烯醇溶液，球磨0.
5h，混合均勻後將其放入模具中，在35mpa的壓力下加壓成型，1300℃保溫1h燒結製成pzt薄片。然後將燒結後的樣品磨光表面，用金剛石鋸片切割，得到截面為矩形的纖維。為了防止樣品邊緣破損，切割時必須控制速度。
纖維的粗細程度由計算機數控系統的精度和壓電陶瓷在工藝過程中的承受能力兩種因素決定。這種方法生產效率高，多為廠家所採用，美國的smart material corp用該方法生產多種規格的pzt纖維，其纖維的粗細約為100~1000μm。
2.2.5碳纖維模板浸漬法
d**id等製備了pzt纖維與聚合物復合的複合材料，其中纖維的製備採用碳纖維模板浸漬法，鈦的丁醇鹽和鈮的乙醇鹽混合加入到乙二醇單甲醚溶劑中在 60℃下攪拌1h。為了防止醇鹽的快速水解，將三水醋酸鉛單獨溶解於乙二醇單甲醚溶液中，並在120℃下蒸餾1h去除水分，冷卻至60℃，將鋯、鈦、鈮的醇鹽溶液加入到醋酸鉛溶液中不斷攪拌3 h形成vzt 先驅體溶液。然後將碳纖維纏繞成直徑分別為9～10μm和0.
5m的纖維束浸入到pzt先驅體溶液中，由於碳纖維中有很多氣孔，可以吸收pzt先驅體溶液。為了使有活性的碳纖維吸收更多的pzt溶液，通常在水蒸汽或co2的氣氛中進行，這樣活性纖維的表面積可達1500m2以上。最後採用熱處理使碳氧化，燒結後可得具有一定強度的pzt 纖維。
儘管浸漬法工藝比較簡單，但生坯中pzt的含量較低，燒結後的纖維強度低、表面粗糙、密度小、效能較差。
3壓電纖維複合材料
過去的幾十年人們對壓電材料的應用進行了形式多樣的研究，壓電纖維的出現給壓電纖維複合材料的研究注入了新的活力。 壓電纖維複合材料主要有3種：
1-3型壓電複合材料、afc (active fiber composites)和mfc (macro fiber com posites) 1-3壓電複合材料是將壓電纖維成束有規律的固化於聚合物中，形成三維結構。 afc和mfc是將壓電纖維有規律排成一排固化於聚合物基質中，形成片式結構；afc和mfc 的區別在於纖維橫截面的形狀不同。afc中纖維的橫截面為圓形，多用擠出法製備；mfc中纖維的橫截面為矩形，多用切割法製備。
圖3 a,b 1- 3型壓電複合材料 c、afc d、mfc
1-3型壓電複合材料是目前研究最多、最深人、應用最廣泛的一種壓電複合材料。1-3型壓電纖維複合材料mfc是由一維聯通的壓電纖維平行排列
於三維聯通的聚合物中而形成的兩相複合材料，其壓電纖維相保留了壓電驅動器的優點，聚合物材料使得該型壓電複合材料具有良好的韌性，適用於具有各種表面的被控物件，因而mfc比較適合在智慧型結構中大面積鋪層使用。mfc由3部分組成， 其結構及工作模式如圖1所示。其結構中壓電陶瓷是主動相，沿纖維方向平行排列於乙個平面內，這種單一方向的纖維排列方式使特定方向上的驅動能力大大提高。
聚合物相在壓電纖維的周圍使壓電纖維和聚合物基體材料成乙個整體，不僅能起到傳遞應力和應變的作用還能起到保護作用，使mfc具有很高的韌性，提高了抗破壞能力。交叉指形電極不僅是工作電極而且是mfc的極化電極，提供了沿纖維方向的極化電場，使得mfc工作時使用比較大的壓電常數d33，提高了3方向上的機電耦合效應。這種電極的結構特點是：
沿軸方向正負分支電極交叉排列，各分支電極由1對異性主電極引出，上下表面的電極結構完全對稱。在電極區附近的電場分布不均勻，只有在遠離電場的區域才能獲得均勻的電場分布。與傳統的平面壓電陶瓷驅動器相比，壓電纖維複合材料的主要優點有：
較大的平面誘導應變；可定製的正交異性；抗破壞能力強；容易使用在曲面結構上等。
壓電複合材料
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