1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料的制备、结构与性能研究

论文摘要

1-3型压电陶瓷／聚合物复合材料兼具压电陶瓷的压电活性和聚合物的柔韧性。与单相压电材料及压电聚合物相比，具有较高的压电应变常数和厚度机电耦合系数、低的机械品质因数和声阻抗，适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲的换能器，是医疗超声、无损探伤和水听器的理想材料。 本文在分析1-3型压电复合材料研究现状的基础上，针对其在医疗超声换能器上的应用，采用塑性聚合物方法、排列-浇铸法，系统地研究了成型工艺、极化参数、压电陶瓷体积含量及纵横比等因素对1-3型压电复合材料的压电、介电、铁电性能和声阻抗的影响，并基于复合理论，研究了材料的相关规律，得到了实验与理论相吻合的研究结果，为这类材料的应用和开发提供了重要的理论依据。具体工作及结论如下： （1） 采用塑性聚合物方法分别制备了截面为圆形和方形的PZT5陶瓷纤维，分析了泥料中有机物含量、烧成条件对纤维结构与性能的影响。结果表明，最优化泥料配方为PZT5：PVA粘合剂：丙三醇=30：4：1（wt％），最佳烧成温度为1280℃，保温时间为4h。PZT5陶瓷纤维结构致密，晶粒大小均匀，约2～5μm。 （2） 圆柱形PZT5纤维的吸水率Wa、显气孔率Pa和体积密度ρv分别为0.45％、0.44％和7.89g／cm3。抗拉伸强度U．T．S．可达24.88MPa。剩余极化Pr与矫顽场Ec分别为41.40μC／cm2和1.10kV／mm。方形PZT5纤维的体积密度ρv、抗拉伸强度U．T．S．、剩余极化Pr和矫顽场Ec分别为7.91g／cm3、23.97MPa、41.68μC／cm2和1.10kV／mm。 （3） 环氧树脂的固化工艺表明，采用顺丁烯二酸酐为固化剂时可获得结构致密、几乎无气孔的环氧树脂。1kHz下，环氧树脂的相对介电常数ε*和介电损耗tanδ分别为3.81和3％，且在0～10MHz范围内变化不大。极化工艺对1-3型压电复合材料的性能有较大的影响，最佳极化工艺参数为极化时间30min，极化温度100℃，极化电压2.5kV／mm左右。采用排列-浇铸法可实现PZT5纤维的非周期性分布排列。 （4） 陶瓷体积含量φ对1-3型压电复合材料的性能有较大影响，性能的变化规律可以归纳为：随着陶瓷相含量φ的增加，1-3型压电复合材料的介电常数（?）几乎线性增加；剩余极化强度Pr显著增大，当φ为85％时，剩余极化强度Pr高达31.88μC／cm2；压电应变常数（?）随着φ的增加而增大，其压电电压系数（?）比PZT5陶瓷大，随φ的增加而减小；径向机电耦合系数（?）比PZT5

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 压电陶瓷及其应用的局限性
• 1.3 1-3型压电复合材料的研究现状及发展趋势
• 1.3.1 1-3型压电复合材料的特点及应用
• 1.3.2 1-3型压电复合材料的研究现状
• 1.3.3 1-3型压电复合材料的理论模型
• 1.3.4 1-3型压电复合材料的制备方法
• 1.3.5 1-3型压电复合材料存在的问题及展望
• 1.4 压电纤维
• 1.4.1 压电纤维的制备方法
• 1.4.2 压电纤维对1-3型压电复合材料性能的影响
• 1.5 研究目的、意义及本论文的主要内容
• 第2章 塑性聚合物方法PZT5陶瓷纤维的制备及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 PZT5陶瓷纤维的制备工艺
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 PZT5泥料的制备工艺
• 2.2.3 PZT5纤维的制备工艺
• 2.2.4 结构与性能表征
• 2.3 PZT5泥料的流变学性能
• 2.3.1 PZT5粉体的粒度分析
• 2.3.2 粉体及泥料的Zeta电位
• 2.4 制备工艺对PZT5陶瓷纤维结构的影响
• 2.4.1 烧成工艺对纤维结构的影响
• 2.4.2 有机物含量对纤维结构的影响
• 2.5 制备工艺对PZT5陶瓷纤维结构与性能的影响
• 2.5.1 有机物含量对纤维吸水率、显气孔率及体积密度的影响
• 2.5.2 有机物含量对纤维抗拉伸性能的影响
• 2.5.3 有机物含量对纤维铁电性能的影响
• 2.6 方形截面PZT5纤维的制备与研究
• 2.7 本章小结
• 第3章 PZT5陶瓷纤维／环氧树脂1-3型压电复合材料的制备与表征
• 3.1 1-3型PZT5／聚合物压电复合材料的制备
• 3.1.1 环氧树脂固化条件的研究
• 3.1.2 1-3型压电复合材料的制备
• 3.2 1-3型压电复合材料的结构与性能表征
• 3.2.1 结构分析
• 3.2.2 性能分析
• 3.2.3 陶瓷相体积含量的计算
• 3.3 1-3型压电复合材料的结构与铁电性能分析
• 3.3.1 1-3型压电复合材料的结构分析
• 3.3.2 1-3型压电复合材料的铁电性能分析
• 3.4 1-3型压电复合材料的极化工艺
• 3.4.1 极化原理
• 3.4.2 极化工艺对介电和压电性能的影响
• 3.5 方形纤维1-3型压电复合材料的结构与性能分析
• 3.5.1 1-3型压电复合材料的结构分析
• 3.5.2 1-3型压电复合材料的铁电性能分析
• 3.5.3 1-3型压电复合材料的介电、压电性能分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料结构与性能的影响
• 4.1 1-3型压电复合材料的理论基础
• 4.1.1 1-3型压电复合材料的理论模型与计算方法
• 4.1.2 PZT5陶瓷及环氧树脂E-51的特征参数
• 4.2 不同陶瓷体积含量1-3型压电复合材料的结构分析
• 4.3 压电陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料性能的影响
• 4.3.1 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料介电性能的影响
• 4.3.2 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料铁电性能的影响
• 4.3.3 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料压电性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 空间尺寸对1-3型压电复合材料性能的影响
• 5.1 1-3型压电复合材料的振动模式
• 5.1.1 1-3型压电复合材料的径向模
• 5.1.2 1-3型压电复合材料的厚度模
• 5.1.3 1-3型压电复合材料的横向结构模
• 5.2 空间尺寸对1-3型压电复合材料介电性能的影响
• 5.3 空间尺寸对1-3型压电复合材料压电性能的影响
• 5.4 空间尺寸对1-3型压电复合材料径向振动的影响
• 5.5 空间尺寸对1-3型压电复合材料厚度振动的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢