1-3型聚合物/水泥基压电复合材料的性能研究

论文摘要

水泥基压电复合材料既具有良好的压电性,又有与混凝土声阻抗相匹配的特性,目前已引起人们越来越多的关注。为增强水泥基体与压电陶瓷的结合强度,提高1-3型水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能,本文以聚合物/水泥为基体,采用切割-浇注法制备了1-3型聚合物/水泥基压电复合材料,研究了基体、聚合物/水泥的配合比、陶瓷的体积分数及陶瓷柱的宽厚比对复合材料的压电、介电、机电、声阻抗等性能的影响。具体工作及结论如下:对不同基体压电复合材料的性能进行了比较,结果表明:与聚合物基压电复合材料和水泥基压电复合材料相比,聚合物/水泥基压电复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33均有所增大,而相对介电常数εr明显减小;同时,厚度机电耦合系数Kt和频带宽Δf增大,机械品质因数Qm减小较明显,声阻抗Z变化不大。研究了聚合物/水泥的配合比对1-3型聚合物/水泥基压电复合材料性能的影响。结果表明:随着基体中水泥质量分数的增加,压电应变常数d33基本呈线性减小,压电电压常数g33呈非线性减小;相对介电常数εr基本呈线性减小;而介电损耗tanδ则基本保持不变。复合材料的平面机电耦合系数Kp与厚度机电耦合系数Kt随着基体中水泥质量分数的增加均先减小后增大。与纯P（LN）ZT压电陶瓷相比,1-3型聚合物/水泥基压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因数Qm明显降低,这有利于提高超声换能器的发射效率和接收灵敏度。随着基体中水泥质量分数的增加,复合材料的声阻抗Z呈逐渐增大趋势,且其值越来越接近混凝土的声阻抗。研究了陶瓷的体积分数对1-3型聚合物/水泥基压电复合材料性能的影响。结果表明:随着P（LN）ZT陶瓷体积分数的增加,压电应变常数d33、相对介电常数εr和声阻抗Z呈现出明显的增大趋势;而压电电压常数g33和介电损耗tanδ则呈现下降的趋势。与P（LN）ZT陶瓷相比较,1-3型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因数明显降低,当P（LN）ZT陶瓷体积分数为30.86 %时,其声阻抗为8.24 M rayl,接近于混凝土的声阻抗9.0 M rayl,适用于制作混凝土超声无损检/监测换能器。研究了陶瓷柱的宽厚比对1-3型聚合物/水泥基压电复合材料性能的影响。结果表明:随着复合材料宽厚比w/t的增大,压电应变常数d33基本呈线性减小,压电电压常数g33随着w/t的增大有略微的减小,但整体变化不大;随着w/t的增加,相对介电常数εr基本呈线性减小;宽厚比变化对复合材料的平面机电耦合系数Kp影响不大;随着w/t的逐渐增大,复合材料的串联谐振频率fs、并联谐振频率fp、频带宽度△f及1 kHz下的电容值C均呈逐渐增大的趋势;厚度机电耦合系数Kt呈增大的趋势,在宽厚比为1.43时Kt可达到73.56 %;当P（LN）ZT体积分数一定时,复合材料的声阻抗在10-11 M rayl之间波动,随着宽厚比的增大,声阻抗基本没有变化。同时,在1 kHz和150 kHz下,随着温度的升高,不同宽厚比的压电复合材料的相对介电常数εr均增大;在-40℃-110℃的范围内,复合材料的介电损耗tanδ先缓慢增加,超过80℃后剧烈增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压电材料
• 1.2 1-3型压电复合材料
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 1-3型水泥基压电复合材料
• 1.3 1-3型压电复合材料的制备方法
• 1.4 1-3型压电复合材料性能的影响因素
• 1.5 研究的目的意义
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 1-3型聚合物/水泥基压电复合材料的制备及性能测试
• 2.1 仪器设备
• 2.2 原材料
• 2.3 试样制备
• 2.4 1-3型聚合物/水泥基压电复合材料的微观结构
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 压电性能的测试
• 2.5.2 介电性能的测试
• 2.5.3 机电耦合性能的测试
• 2.5.4 机械品质因数的测试
• 2.5.5 声阻抗性能的测试
• 第三章 基体对1-3型压电复合材料性能的影响
• 3.1 试验过程
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 压电性能与介电性能比较
• 3.2.2 机电耦合性能及声阻抗性能比较
• 3.2.3 复合材料的介电-频率特性
• 3.3 小结
• 第四章 基体的配合比对压电复合材料性能的影响
• 4.1 试验过程
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 配合比对复合材料压电性能的影响
• 4.2.2 配合比对复合材料介电性能的影响
• 4.2.3 配合比对复合材料机电耦合性能的影响
• 4.2.4 配合比对复合材料声阻抗性能的影响
• 4.3 小结
• 第五章 压电陶瓷体积分数对复合材料性能的影响
• 5.1 试验过程
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 体积分数对复合材料压电性能的影响
• 5.2.2 体积分数对复合材料介电性能的影响
• 5.2.3 体积分数对复合材料机电耦合性能的影响
• 5.2.4 体积分数对复合材料声阻抗的影响
• 5.3 小结
• 第六章 压电陶瓷柱宽厚比对复合材料性能的影响
• 6.1 试验过程
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 宽厚比对复合材料压电性能的影响
• 6.2.2 宽厚比对复合材料介电性能的影响
• 6.2.3 宽厚比对复合材料机电耦合性能的影响
• 6.2.4 宽厚比对复合材料声阻抗的影响
• 6.2.5 温度对不同宽厚比复合材料性能的影响
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录