1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料的制备、结构与性能研究
【摘要】：1-3型压电陶瓷／聚合物复合材料兼具压电陶瓷的压电活性和聚合物的柔韧性。与单相压电材料及压电聚合物相比，具有较高的压电应变常数和厚度机电耦合系数、低的机械品质因数和声阻抗，适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲的换能器，是医疗超声、无损探伤和水听器的理想材料。
本文在分析1-3型压电复合材料研究现状的基础上，针对其在医疗超声换能器上的应用，采用塑性聚合物方法、排列-浇铸法，系统地研究了成型工艺、极化参数、压电陶瓷体积含量及纵横比等因素对1-3型压电复合材料的压电、介电、铁电性能和声阻抗的影响，并基于复合理论，研究了材料的相关规律，得到了实验与理论相吻合的研究结果，为这类材料的应用和开发提供了重要的理论依据。具体工作及结论如下：
(1) 采用塑性聚合物方法分别制备了截面为圆形和方形的PZT5陶瓷纤维，分析了泥料中有机物含量、烧成条件对纤维结构与性能的影响。结果表明，最优化泥料配方为PZT5：PVA粘合剂：丙三醇=30：4：1(wt％)，最佳烧成温度为1280℃，保温时间为4h。PZT5陶瓷纤维结构致密，晶粒大小均匀，约2～5μm。
(2) 圆柱形PZT5纤维的吸水率W_a、显气孔率P_a和体积密度ρ_v分别为0.45％、0.44％和7.89g／cm~3。抗拉伸强度U．T．S．可达24.88MPa。剩余极化P_r与矫顽场E_c分别为41.40μC／cm~2和1.10kV／mm。方形PZT5纤维的体积密度ρ_v、抗拉伸强度U．T．S．、剩余极化P_r和矫顽场E_c分别为7.91g／cm~3、23.97MPa、41.68μC／cm~2和1.10kV／mm。
(3) 环氧树脂的固化工艺表明，采用顺丁烯二酸酐为固化剂时可获得结构致密、几乎无气孔的环氧树脂。1kHz下，环氧树脂的相对介电常数ε~*和介电损耗tanδ分别为3.81和3％，且在0～10MHz范围内变化不大。极化工艺对1-3型压电复合材料的性能有较大的影响，最佳极化工艺参数为极化时间30min，极化温度100℃，极化电压2.5kV／mm左右。采用排列-浇铸法可实现PZT5纤维的非周期性分布排列。
(4) 陶瓷体积含量φ对1-3型压电复合材料的性能有较大影响，性能的变化规律可以归纳为：随着陶瓷相含量φ的增加，1-3型压电复合材料的介电常数(?)几乎线性增加；剩余极化强度P_r显著增大，当φ为85％时，剩余极化强度P_r高达31.88μC／cm~2；压电应变常数(?)随着φ的增加而增大，其压电电压系数(?)比PZT5陶瓷大，随φ的增加而减小；径向机电耦合系数(?)比PZT5
【关键词】：1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料 换能器 压电性能 铁电性能 介电性能 【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TB332
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.169102
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 第1章 绪论12-27
- 1.1 研究背景12-13
- 1.2 压电陶瓷及其应用的局限性13-15
- 1.3 1-3型压电复合材料的研究现状及发展趋势15-24
- 1.3.1 1-3型压电复合材料的特点及应用15-19
- 1.3.2 1-3型压电复合材料的研究现状19-20
- 1.3.3 1-3型压电复合材料的理论模型20-22
- 1.3.4 1-3型压电复合材料的制备方法22-23
- 1.3.5 1-3型压电复合材料存在的问题及展望23-24
- 1.4 压电纤维24-25
- 1.4.1 压电纤维的制备方法24
- 1.4.2 压电纤维对1-3型压电复合材料性能的影响24-25
- 1.5 研究目的、意义及本论文的主要内容25-27
- 第2章 塑性聚合物方法PZT5陶瓷纤维的制备及性能研究27-53
- 2.1 引言27
- 2.2 PZT5陶瓷纤维的制备工艺27-36
- 2.2.1 原料27-28
- 2.2.2 PZT5泥料的制备工艺28-30
- 2.2.3 PZT5纤维的制备工艺30-33
- 2.2.4 结构与性能表征33-36
- 2.3 PZT5泥料的流变学性能36-40
- 2.3.1 PZT5粉体的粒度分析36-39
- 2.3.2 粉体及泥料的Zeta电位39-40
- 2.4 制备工艺对PZT5陶瓷纤维结构的影响40-45
- 2.4.1 烧成工艺对纤维结构的影响40-43
- 2.4.2 有机物含量对纤维结构的影响43-45
- 2.5 制备工艺对PZT5陶瓷纤维结构与性能的影响45-49
- 2.5.1 有机物含量对纤维吸水率、显气孔率及体积密度的影响45-46
- 2.5.2 有机物含量对纤维抗拉伸性能的影响46-47
- 2.5.3 有机物含量对纤维铁电性能的影响47-49
- 2.6 方形截面PZT5纤维的制备与研究49-51
- 2.7 本章小结51-53
- 第3章 PZT5陶瓷纤维／环氧树脂1-3型压电复合材料的制备与表征53-77
- 3.1 1-3型PZT5／聚合物压电复合材料的制备53-60
- 3.1.1 环氧树脂固化条件的研究53-59
- 3.1.2 1-3型压电复合材料的制备59-60
- 3.2 1-3型压电复合材料的结构与性能表征60-65
- 3.2.1 结构分析60
- 3.2.2 性能分析60-63
- 3.2.3 陶瓷相体积含量的计算63-65
- 3.3 1-3型压电复合材料的结构与铁电性能分析65-66
- 3.3.1 1-3型压电复合材料的结构分析65
- 3.3.2 1-3型压电复合材料的铁电性能分析65-66
- 3.4 1-3型压电复合材料的极化工艺66-73
- 3.4.1 极化原理66-68
- 3.4.2 极化工艺对介电和压电性能的影响68-73
- 3.5 方形纤维1-3型压电复合材料的结构与性能分析73-76
- 3.5.1 1-3型压电复合材料的结构分析73
- 3.5.2 1-3型压电复合材料的铁电性能分析73-74
- 3.5.3 1-3型压电复合材料的介电、压电性能分析74-76
- 3.6 本章小结76-77
- 第4章 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料结构与性能的影响77-91
- 4.1 1-3型压电复合材料的理论基础77-79
- 4.1.1 1-3型压电复合材料的理论模型与计算方法77-79
- 4.1.2 PZT5陶瓷及环氧树脂E-51的特征参数79
- 4.2 不同陶瓷体积含量1-3型压电复合材料的结构分析79-80
- 4.3 压电陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料性能的影响80-89
- 4.3.1 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料介电性能的影响81-82
- 4.3.2 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料铁电性能的影响82-84
- 4.3.3 陶瓷体积含量对1-3型压电复合材料压电性能的影响84-89
- 4.4 本章小结89-91
- 第5章 空间尺寸对1-3型压电复合材料性能的影响91-105
- 5.1 1-3型压电复合材料的振动模式91-93
- 5.1.1 1-3型压电复合材料的径向模91-92
- 5.1.2 1-3型压电复合材料的厚度模92
- 5.1.3 1-3型压电复合材料的横向结构模92-93
- 5.2 空间尺寸对1-3型压电复合材料介电性能的影响93-94
- 5.3 空间尺寸对1-3型压电复合材料压电性能的影响94-95
- 5.4 空间尺寸对1-3型压电复合材料径向振动的影响95-98
- 5.5 空间尺寸对1-3型压电复合材料厚度振动的影响98-103
- 5.6 本章小结103-105
- 第6章 结论与展望105-107
- 参考文献107-116
- 攻读博士学位期间发表论文116-117
- 致谢117
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