PZT压电纤维的制备与性能研究

论文摘要

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,具有集传感、执行和控制于一体的特有属性,是智能材料系统中的主导材料。近几十年来,随着压电器件应用领域的不断扩大,对其性能也提出了一些新的要求,其中1-3型压电复合材料采用纤维形压电相和有机材料复合,这不仅使材料具有良好的柔顺性和机械加工性能,而且也使其具有各向异性的驱动性能。因此在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。压电陶瓷纤维是1-3型压电复合材料中最为重要的一个组成部分,其制备与性能研究也引起了越来越多的关注。目前,主要的压电纤维制备法是纺丝法和割模一浇铸法（the dice-and-fill method）。但是纺丝法所制备出的纤维均匀性和致密性比较差,而割模-浇铸法制备出的陶瓷纤维长度不大,这使得它们所制备的PZT陶瓷纤维在实际应用时受到很大限制。针对纺丝法所制备的纤维致密性差而割模-浇铸法制备的纤维长度不足的缺点,本论文尝试采用氧化物粉末装管法（the Oxide Powderin Tube）来制备压电陶瓷纤维。实验中,首先以乙酸铅（Pb（CH3COO）2·3H2O）、钛酸四丁酯（Ti（OC4H9）4）、硝酸锆（Zr（NO3）4·5H2O）为原料,采用Sol-Gel工艺,制备出了颗粒分散性好、粒径介于40～80nm之间的PZT超细粉。PZT粉体的烧结实验表明:Sol-Gel法制备PZT粉末的合成温度（600～700℃）比传统的固相反应烧结法要低得多。这一方面可避免过高的煅烧温度所造成PbO的挥发,另一方面可抑制粉体生长并聚集起来形成硬团聚体,有利于制备性能优良的PZT粉末。然后以PZT粉为原料,采用氧化物粉末装管法制备了PZT压电陶瓷纤维。SEM分析显示该陶瓷纤维呈圆柱状,直径约为250μm。通过研究烧结温度对PZT陶瓷纤维的断面微结构及铅含量变化的影响,揭示PZT陶瓷纤维的合适烧结温度为1000℃。XRD分析表明:此温度下烧结的陶瓷纤维呈单一的钙钛矿结构。对其所作的电性能测试也表明,纤维具有优良的压电性能。分析结果说明:采用氧化物粉末装管法制备的陶瓷纤维大小均匀、结构致密、具有高长径比,克服了纺丝法和割模-浇铸法的缺陷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电材料
• 1.2.1 压电材料的发展概述
• 1.2.2 压电陶瓷
• 1.2.3 压电聚合物
• 1.3 压电复合材料
• 1.3.1 压电复合材料的基本原理
• 1.3.2 1-3型压电复合材料
• 1.4 压电纤维
• 1.4.1 压电纤维的研究现状
• 1.4.2 压电纤维的制备工艺、技术研究
• 1.5 本论文的研究目的与内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 制备方法
• 2.1.1 Sol-Gel法制备PZT超细粉
• 2.1.2 氧化物粉末装管法制备PZT压电陶瓷纤维
• 2.1.3 PZT压电材料的极化
• 2.2 微观分析方法
• 2.2.1 X射线衍射原理
• 2.2.2 SEM工作原理
• 2.2.3 X射线能谱EDS工作原理
• 2.3 电性能测试
• 2.3.1 压电性能测试
• 2.3.2 介电性能测试
• 2.3.3 电滞回线测试
• 第三章 SOL-GEL法制备PZT超细粉的研究
• 3.1 PZT先驱体溶液的制备
• 3.1.1 PZT先驱体溶液的PH值对粉体特性的影响
• 3.1.2 加水量对PZT溶胶形成的影响
• 3.1.3 有机溶剂的选择
• 3.1.4 PZT先驱体溶液的配置顺序
• 3.2 PZT粉体的烧结
• 3.3 PZT粉体的微观分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 PZT陶瓷纤维的制备与研究
• 4.1 PZT陶瓷纤维的成型工艺
• 4.1.1 烧结设备的设计
• 4.1.2 PZT陶瓷纤维的烧结成型
• 4.2 PZT陶瓷纤维的微观分析
• 4.2.1 不同烧结气氛下PZT陶瓷纤维的微观分析
• 4.2.2 不同烧结温度PZT陶瓷纤维的微观分析
• 4.3 PZT陶瓷纤维的性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 1-3型压电纤维复合材料的制备与研究
• 5.1 1-3型压电纤维复合材料的制备研究
• 5.1.1 有机聚合物基体相的选择
• 5.1.2 制备实验
• 5.2 1-3型压电纤维复合材料的SEM研究
• 第六章 研究结论和创新
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果