纳米复合PZT压电陶瓷的制备及其力学性能研究

论文摘要

纳米复合陶瓷是指纳米相颗粒均匀、弥散地分布在陶瓷基体中形成的复合材料。陶瓷结构纳米化可使其力学性能显著提高，突出表现在:断裂强度、断裂韧性和耐高温性能三个方面，同时还能提高材料的硬度、弹性模量、Weibull模数、并对热导率、热膨胀系数、抗热震性等产生有益的影响。但是，压电陶瓷的结构纳米化对其性能的影响尚缺乏研究。本文利用Pb（NO3）2、Zr（NO3）4-5H2O、Ti（OC4H9）4作为原料，NaOH作为矿化剂，通过溶胶-凝胶法结合水热处理制备了组成近于准同型相界（MPB）的Pb（Zr0.52Ti0.48）O3纳米晶（PZT）粉体并利用传统氧化物烧结法制备组成相同的PZT粉体。通过DSC/TGA、FT-IR、XRD和SEM对合成粉体进行了分析和表征。由此制备了均匀组成和结构的普通和纳米复合PZT陶瓷，并对其弹性模量、弯曲强度、硬度和断裂韧性等力学性能进行了测试分析;且利用SEM分析了PZT陶瓷的断口形貌及断裂方式；又通过Weibull统计评价了PZT陶瓷的弯曲强度的分散性；还通过R曲线模拟分析，研究了极化对PZT陶瓷强度的影响。DSC/TGA、FT-IR、XRD和SEM结果表明：溶胶-凝胶法制备的PZT相在220℃开始出现，270℃水热处理2h合成了纯相纳米晶PZT粉体，粉体的晶粒大小为25nm左右。纳米复合PZT压电性能测试结果表明其机电耦合系数，介电常数和压电系数等压电性能指标均不低于普通PZT陶瓷。力学性能测试结果表明：纳米复合PZT陶瓷的弹性模量较普通PZT陶瓷有明显提高，约提高36%；纳米复合PZT陶瓷的弯曲强度较普通PZT陶瓷有明显提高，约提高29%，纳米复合PZT强度的升高主要是晶界强化导致的结果；不同载荷下，纳米复合PZT陶瓷硬度均高于普通PZT陶瓷的硬度，并且两种材料都存在压痕尺寸效应；在压痕载荷5Kg条件下，纳米复合PZT陶瓷的断裂韧性较普通PZT陶瓷有明显提高，约提高50%左右；极化状态纳米复合PZT陶瓷的断裂韧性存在各向异性，平行于极化方向的断裂韧性值高于另外两个垂直于极化方向断裂韧性值，并认为这种断裂韧性的各向异性是由极化PZT陶瓷的电畴结构及力致畴变现象造成的。对弯曲强度的Weibull统计分析表明：在试验样品数为26的情况下，普通PZT陶瓷的Weibull模数为3.59，而纳米复合PZT陶瓷材料Weibull模数为8.167，说明纳米复合PZT陶瓷材料弯曲强度波动范围较小。断口的SEM与分形分析表明：普通PZT陶瓷在快速扩展区的断裂方式是沿晶断裂，纳米复相PZT陶瓷是穿晶断裂，穿晶断裂的断口分形维数高于沿晶断裂，分形维数与断裂韧性成正比例关系，这明显表明压电陶瓷微观结构纳米化对断裂韧性的有益影响。R曲线模拟分析表明：极化方向的裂纹扩展阻力随着裂纹深度的增加而增加，体现了畴致偏转对断裂的阻碍作用。综上所述，本课题研究表明，PZT压电陶瓷结构的纳米化，可以实现其在压电性能不变或稍有提高的情况下，大幅度地提高力学性能。换言之，结构纳米化，可以在保证PZT压电陶瓷原有性能参数的条件下，显著地改善其力学性能。因此，可以预期，PZT压电陶瓷的结构纳米化将显著改善其力学性能，延长陶瓷制件的服役寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PZT压电陶瓷的结构
• 1.2.1 钛酸铅晶体结构
• 3晶体结构'>1.2.2 PbZrO₃晶体结构
• 1.2.3 PZT结构特点
• 1.3 PZT陶瓷的研究现状
• 1.3.1 锆钛酸铅（PZT）超细粉体制备
• 1.3.2 PZT陶瓷的压电性能
• 1.4 纳米复合陶瓷的增韧机理概述
• 1.4.1 弥散细化理论
• 1.4.2 “晶内型”结构理论
• 1.4.3 “晶界型”韧化机理
• 1.4.4 “钉扎”理论
• 1.4.5 断裂模式的改变
• 1.4.6 残余应力场作用
• 1.5 PZT的增韧
• 1.6 本论文研究的意义和内容
• 1.6.1 研究的意义
• 1.6.2 研究的主要内容
• 1.6.3 研究的创新点
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验用主要原料
• 2.2 试样的制备方法
• 2.2.1 溶胶-凝胶法合成粉体
• 2.2.2 混合氧化物固相法合成PZT粉体
• 2.2.3 PZT陶瓷的制备
• 2.3 试样性能测试及表征
• 2.3.1 热重和差热分析
• 2.3.2 傅立叶-红外光谱分析
• 2.3.3 粉末的X-射线衍射分析
• 2.3.4 粉体表面形貌分析
• 2.3.5 弯曲强度
• 2.3.6 弹性模量的测试
• 2.3.7 硬度的测试
• 2.3.8 断裂韧性的测试
• 2.3.9 R曲线测试方法
• 2.3.10 压痕裂纹的金相分析
• 2.3.11 PZT扫描电镜分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 PZT陶瓷粉体的制备及表征
• 3.1 DSC/TGA分析
• 3.2 FT-IR分析
• 3.3 粉体的XRD分析
• 3.4 粉体的SEM分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 PZT陶瓷的力学性能
• 4.1 弹性模量
• 4.2 弯曲强度
• 4.3 硬度
• 4.4 非极化状态PZT陶瓷的断裂韧性
• 4.5 极化PZT陶瓷的断裂韧性各相异性的分析
• 4.5.1 极化PZT陶瓷的电畴结构及力致畴变现象
• 4.5.2 畴变与断裂韧性的关系
• 4.6 极化状态PZT陶瓷的力学性能
• 4.6.1 极化状态纳米复合PZT陶瓷弯曲强度
• 4.6.2 极化状态纳米复合PZT陶瓷的弹性模量
• 4.6.3 极化状态纳米复合PZT陶瓷的断裂韧性
• 4.7 极化状态纳米复合PZT陶瓷与普通PZT陶瓷力学性能
• 4.8 PZT陶瓷断口的SEM分析
• 4.8.1 压痕裂纹断口形貌
• 4.8.2 PZT陶瓷的扩展区断裂特征
• 4.9 断口分形的模拟分析
• 4.9.1 PZT陶瓷断口的分形特征
• 4.9.2 断口面的分形维数分析
• 4.10 本章小结
• 第5章 PZT陶瓷强度Weibull统计分析与R曲线模拟分析
• 5.1 Weibull统计方法基本原理
• 5.2 普通PZT陶瓷的Weibull分布
• 5.3 纳米复合PZT陶瓷的Weibull分布
• 5.4 R曲线分析
• 5.4.1 压痕载荷与强度关系
• 5.4.2 R曲线特征
• 5.5 畴变带的形成
• 5.6 极化方向R曲线变化的原因
• f-lgP关系与K_r-C曲线的关系'>5.7 陶瓷lgσ_f-lgP关系与K_r-C曲线的关系
• 5.8 强度-裂纹深度曲线特征
• f-C描绘'>5.8.1 材料的强度曲线σ_f-C描绘
• 5.8.2 R曲线分析PZT陶瓷的可靠性
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得科研成果
• 致谢