聚合物/压电陶瓷复合材料的制备和性能表征

论文摘要

有机／无机压电复合材料是一种多相材料,它是由压电陶瓷和高分子聚合物通过复合工艺构成的一种新型功能材料。这种材料兼具两相材料的优点：与传统的压电陶瓷相比,具有良好的柔顺性和机械加工性能,由于密度和声速都降低,故声阻抗小,易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配；加之其介电常数也降低,故水声优值、压电电压系数增加,提高了换能器和探测器的灵敏度。与压电聚合物相比,具有较高的压电常数和机电耦合系数。压电复合材料通过复合效应,还能使其具有原组分材料所不具有的性能。压电复合材料的性能由组成相的性能及空间结构决定,因此可控性强,能够满足不同的应用要求,如水声、电声、超声换能器及传感器等。本文根据复合材料的复合效应(加合性、乘积性和组合性)原理,在总结压电复合材料研究现状的基础上,针对其在水声领域的应用,以PZT多孔陶瓷为基体,聚合物作为第二相添加物,采用原位复合法制备聚合物／PZT复合材料。通过X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱分析(FTIR)等分析测试技术对样品的断面形貌和物相结构进行了表征。并系统地研究了压电陶瓷相体积含量、聚合物相对复合材料的压电、介电和铁电性能影响。采用造孔剂燃烧法制备了PZT多孔陶瓷基体,造孔剂的燃烧在陶瓷基体中形成开放性孔隙结构。当造孔剂含量的增加时,PZT多孔陶瓷基体的孔隙率增大,体积密度降低。随着烧结温度的升高,PZT多孔陶瓷基体的孔隙率下降,体积密度增加。在上述基础上,以多孔陶瓷为无机骨架相,以两种聚合物为性能调控相,采用原位聚合法制备聚合物／PZT压电复合材料。测试了复合材料的介电、压电性能,测试结果表明,聚合物对复合材料的介电、压电性能有较大影响。PMMA体系复合材料的介电常数高于PS体系的介电常数,PS体系复合材料的介电损耗低于PMMA体系。随着陶瓷含量的增大,聚合物／PZT压电复合材料的介电、压电和铁电性能都呈现非线性增大。对于PS/PZT复合材料,当PZT体积含量为63%时,ε=341,tanδ=0.015,d33=150pC/N。复合材料的形貌分析显示其结构内部仍存在一定量的显气孔率,即孔隙没有完全被聚合物填充。当PZT体积含量为63%时,复合材料的显气孔率约为4.14%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 压电材料
• 1.1.1 压电效应
• 1.1.2 压电材料的分类
• 1.1.3 压电材料的应用
• 1.2 压电复合材料的研究现状
• 1.2.1 0-3型压电复合材料
• 1.2.2 1-3型压电复合材料
• 1.2.3 3-3型压电复合材料
• 1.3 压电复合材料的发展趋势
• 1.4 研究背景
• 1.5 研究思路和内容
• 第2章 聚合物/PZT压电复合材料的制备
• 2.1
• 2.1.1 压电陶瓷的选择
• 2.1.2 聚合物的选择
• 2.2 实验原料和设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 PZT陶瓷粉末的制备
• 2.3.1 合成原理
• 2.3.2 PZT的预烧制度
• 2.3.3 PZT的预烧合成工艺
• 2.4 多孔陶瓷的制备
• 2.4.1 多孔陶瓷的烧成制度
• 2.4.2 烧结温度的确定
• 2.4.3 多孔陶瓷的制备工艺
• 2.5 硅烷偶联剂对多孔陶瓷基体的处理
• 2.5.1 硅烷偶联剂的作用机理
• 2.6 压电材料复合的制备
• 2.7 聚合方法
• 2.8 压电复合材料的极化
• 2.9 复合材料的表征方法
• 2.9.1 XRD分析
• 2.9.2 体积密度和气孔率分析
• 2.9.3 SEM分析
• 2.9.4 红外光谱分析
• 2.9.5 介电性能测试
• 2.9.6 铁电性能测试
• 2.9.7 压电性能测试
• 第3章 聚合物/PZT压电复合材料的结构研究
• 3.1 XRD
• 3.1.1 压电陶瓷粉料的XRD分析
• 3.1.2 压电复合材料的XRD分析
• 3.2 气孔率和体积密度分析
• 3.2.1 多孔陶瓷基体的显气孔率和体积密度
• 3.2.2 压电复合材料的体积密度和显气孔率
• 3.3 形貌分析
• 3.3.1 多孔陶瓷基体的形貌分析
• 3.3.2 压电复合材料的形貌分析
• 3.4 复合材料的红外分析
• 第4章 压电复合材料的电性能研究
• 4.1 介电和压电性能参数
• 4.1.1 介电常数
• 4.1.2 介电损耗
• 4.1.3 压电常数
• 4.1.4 机电耦合系数
• 4.1.5 机械品质因素
• 4.2 PZT体积含量对压电复合材料电性能的影响
• 4.2.1 PS/PZT压电复合材料的介电性能
• 4.2.2 PS/PZT压电复合材料的铁电性能
• 4.2.3 PS/PZT压电复合材料的压电性能
• 4.2.4 PS/PZT压电复合材料的声阻抗
• 4.3 聚合物的影响
• 4.3.1 聚合物简介
• 4.3.2 聚合物对复合材料介电性能的影响
• 4.3.3 聚合物对复合材料压电性能的影响
• 第5章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文