高性能多孔锆钛酸铅陶瓷的制备及性能表征

论文摘要

多孔锆钛酸铅（PZT）陶瓷是一种重要的压电复合陶瓷，能够改善和优化致密PZT陶瓷作为换能材料在水声、电声和超声方面的应用性能。本文探索使用以叔丁醇（TBA）为溶剂的凝胶注模成型（Gel-casting）工艺制备多孔PZT陶瓷，证实了此方法的可行性，制备出具有高孔隙率、高静水压优值、低声阻抗的多孔PZT陶瓷。本文优化了TBA基凝胶注模成型工艺从浆料、坯体到烧结体的各个阶段的工艺参数，使之成为制备多孔PZT陶瓷的一种成熟的工艺方法。本文制备得到的多孔PZT陶瓷具有均匀一致的孔隙结构，最高孔隙率达58.6%，最大静水压优值22299×10-15Pa-1，最低声阻抗3.0Mrayls。其次，为揭示TBA基凝胶注模工艺在制备多孔PZT陶瓷上的优越性，本文选取目前多孔PZT陶瓷制备方法中应用最为广泛的添加造孔剂工艺（BURPS，Burnable Plastic Spheres）与之进行对比实验，从微观结构到宏观性能进行了比较分析。研究发现，TBA基凝胶注模工艺的优势在于它能够制备得到均匀可控的结构。此外，本文通过烧结条件对多孔PZT陶瓷微观结构的影响，探讨了工艺条件、结构、性能三者的关系。研究发现，通过控制烧结温度可以调节陶瓷体的孔隙率和晶粒尺寸进而调控性能。在此基础上，本文还进一步设计实验，尝试在排除孔隙率作用的前提下深入研究晶粒尺寸的单独影响，并提供可能的解释。最后，本文详细研究了多孔PZT陶瓷的介电性能，重点分析了孔隙率对介电常数谐振行为的影响。研究发现，通过孔隙率来简化材料的谐振模式，是提高机电耦合系数的一个重要思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 多孔PZT陶瓷的研究状况和进展
• 1.2.1 制备方法
• 1.2.2 研究热点
• 1.2.3 研究状况总结
• 1.3 本论文的研究思路
• 第2章 TBA基凝胶注模工艺制备多孔 PZT 陶瓷
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 浆料制备
• 2.2.3 坯体制备
• 2.2.4 烧结
• 2.3 本章总结
• 第3章 TBA基凝胶注模工艺优化及与造孔剂方法的对比研究
• 3.1 引言
• 3.2 凝胶注模工艺的参数优化
• 3.2.1 实验
• 3.2.2 结构的控制
• 3.2.3 性能的优化
• 3.3 多孔PZT陶瓷制备工艺的对比研究
• 3.3.1 实验
• 3.3.2 结构对比
• 3.3.3 性能对比
• 3.4 本章总结
• 第4章 多孔PZT陶瓷烧结行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验步骤
• 4.3 烧结制度的制定
• 4.4 烧结温度的影响
• 4.4.1 孔隙率和孔隙形貌
• 4.4.2 介电性能和压电性能
• 4.5 本章总结
• 第5章 多孔PZT陶瓷晶粒尺寸的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验步骤
• 5.3 微观结构和晶粒尺寸分布
• 5.4 晶粒尺寸对性能的影响
• 5.4.1 介电性能
• 5.4.2 压电性能与声阻抗
• 5.5 本章总结
• 第6章 多孔PZT陶瓷的介电性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验步骤
• 6.3 组织与结构
• 6.4 介电性能
• 6.4.1 介电常数
• 6.4.2 介电损耗与介电强度
• 6.5 本章总结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果