PZT基NiTi SMA/PZT复合材料的制备及其力、电性能

论文摘要

锆钛酸铅（PZT）陶瓷具有非常稳定的压电效应,高的机电耦合系数、较好机械品质因子,在作为传感器、驱动器应用时,具有高灵敏度、低电噪声等优势,但由于其力学性能较差,严重限制了它的应用范围。为了充分发挥PZT的性能优势,改善其力学性能,本文尝试将PZT与NiTi SMA薄膜复合,用NiTi SMA增强PZT,从而制备PZT基NiTi SMA/PZT异质复合材料,为PZT的应用开拓新空间。本文采用磁控溅射法直接在PZT基体上沉积NiTi SMA薄膜,再经晶化处理而制备NiTi SMA/PZT复合材料;借助SEM、EDS、和XRD等手段,通过研究基体预热温度、氩气工作压强、溅射功率、基体表面状态、不同加热方式、晶化处理温度、保温时间等因素对NiTi SMA薄膜表面形貌、NiTi SMA/PZT复合材料膜基结合状态、沉积速率、NiTi SMA与PZT基体之间的成分扩散和NiTi SMA薄膜物相组成的影响,以确定适宜的复合材料制备工艺;使用显微硬度计测试NiTi SMA/PZT复合材料的耐压性能,定性分析NiTi SMA薄膜与PZT基体之间的结合强度;采用三点弯曲法测试NiTi SMA/PZT复合材料的抗弯强度,分析NiTi SMA对PZT力学性能的影响;使用ZJ-3A型准态仪、Automatic LCR Meter4225测试NiTi SMA/PZT复合材料的压电常数d33,机电耦合系数KP,介电损耗tgδ,考察NiTi SMA薄膜对PZT压电性能的影响。实验结果表明:基体经过严格清洗,基体预热温度为150℃,氩气工作压强0.7Pa,溅射功率150W时制备出的NiTi SMA薄膜表面空洞、缝隙等缺陷较少,颗粒均匀,膜基结合状态较好,薄膜沉积速率适宜;采用两步法晶化处理的NiTi SMA薄膜与基体之间的成分交换范围较小;使NiTi SMA薄膜晶化颗粒尺寸均一,缺陷较少,膜基之间结合紧密的晶化温度为600℃,保温室间为30min。力学性能测试结果表明,所制备的NiTi SMA/PZT复合材料所承受的最大压力为100gf,结合力约为0.49N;NiTi SMA复合材料的抗弯曲强度比纯PZT提高22.9%。所制备出的NiTi SMA/PZT复合材料与纯的PZT相比,压电常数d33提高0.03%,机电耦合系数Kp提高0.28%,介电耦合系数tgδ降低0.76%。NiTi SMA薄膜与PZT基体之间良好的界面结合结构及界面附近存在源自膜/基间晶格差异的约束应力,有利于电偶极子的定向运动,保障了PZT基体压电性能的充分发挥。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 PZT 简介
• 1.1.1 压电效应
• 1.1.2 PZT 晶体结构
• 1.1.3 PZT 力学性能特点
• 1.1.4 PZT 的几个重要电学参数
• 1.1.5 PZT 的极化
• 1.2 PZT 陶瓷增韧的发展现状
• 1.2.1 PZT 陶瓷的掺杂
• 1.2.2 含有PZT 陶瓷的复合材料研究
• 1.3 NiTi SMA 薄膜
• 1.3.1 薄膜的制备方法
• 1.3.2 溅射薄膜的晶化
• 1.3.3 NiTi SMA 薄膜与基体之间的界面
• 1.3.4 溅射法制备的NiTi SMA 薄膜性能
• 1.4 选题的意义
• 1.5 本课题研究主要内容
• 第二章 实验方法、原理及过程
• 2.1 NiTi SMA 薄膜制备
• 2.1.1 溅射法制备NiTi SMA 薄膜
• 2.1.2 溅射工艺参数选择
• 2.1.3 实验过程及内容
• 2.2 NiTi SMA 薄膜晶化处理
• 2.2.1 NiTi SMA 薄膜晶化处理方式
• 2.2.2 NiTi SMA 两步晶化处理的加热工艺方式
• 2.3 NiTi SMA 薄膜组织观察及物相分析
• 2.4 复合材料力学性能测试
• 2.4.1 NiTi SMA/PZT 复合材料的耐压性能研究
• 2.4.2 材料的抗弯强度
• 2.4.3 实验设备
• 2.5 复合材料电学性能测试
• 2.5.1 测试参数及测试原理
• 2.5.2 实验设备
• 2.5.3 试样制备
• 第三章 实验结果及讨论
• 3.1 基体表面预处理对薄膜质量的影响
• 3.2 溅射工艺参数参数对NiTi SMA 薄膜质量及膜/基结合状态的影响
• 3.2.1 基体预热温度对NiTi SMA 薄膜质量及膜/基结合状态的影响
• 3.2.2 氩气工作压强对NiTi SMA 成膜质量的影响
• 3.2.3 溅射功率对NiTi SMA 成膜质量的影响
• 3.3 NiTi 薄膜的晶化处理
• 3.3.1 不同加热工艺对薄膜晶化处理的影响
• 3.3.2 晶化温度对NiTi SMA 薄膜物相组成的影响
• 3.3.3 晶化处理保温时间对NiTi SMA 薄膜物相组成的影响
• 3.4 适宜制备参数下获得的NiTi SMA/PZT 复合材料的组织结构
• 3.4.1 NiTi SMA 薄膜的表面形貌
• 3.4.2 NiTi SMA/PZT 复合材料的横截面形貌
• 3.5 NiTi SMA/PZT 复合材料的力学性能
• 3.5.1 NiTi SMA/PZT 复合材料的耐压性能
• 3.5.2 复合材料抗弯强度测试结果分析
• 3.6 电学性能测试结果
• 3.6.1 压电常数d33测试结果与讨论
• 3.6.2 介电损耗tgδ测试结果与讨论
• 3.6.3 机电耦合系数Kp 测试结果与讨论
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢