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塑性聚合物方法压电纤维复合材料的结构与性能研究

刘维华  
【摘要】: 1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数与径向机电耦合系数的比值k_t/k_p远大于同类陶瓷材料,使其各向异性大,可提高换能器的分辨率、改善脉冲的响应时间。同时可以通过控制纤维体积含量大幅度提高静水压灵敏度,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,针对换能器应用对压电材料的性能要求,采用塑性聚合物方法制备压电纤维,排列-浇铸法制备1-3型压电复合材料。系统地研究了压电陶瓷组成、陶瓷固含量、纤维体积含量及长径比等因素对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,获得了压电相性能对复合材料性能的影响规律。通过有限元模拟计算,建立了1-3型压电复合材料的振动模型,得到了与实验结果相吻合的研究结论。 (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、PMnS-PZN-PZT及PSN-PZN-PZT压电纤维,研究了塑性聚合物方法制备塑性泥料的制备工艺、压电陶瓷纤维的成型工艺及环氧树脂的固化工艺,分析了泥料中陶瓷固含量、烧结条件对纤维结构与性能的影响。陶瓷固含量对材料的力学性能和铁电性能则产生非常大的影响,当陶瓷固含量为86%时,可获得可塑性较好、有一定强度的压电纤维素坯。经过1190~1280℃处理2~4h,压电纤维的强度较高、结构致密、晶粒大小均匀,约2~5μm,此时纤维力学性能和铁电性能均达到最佳; (2)纤维长径比对其压电与介电性能产生大的影响,当t/d=4左右时,各性能指标达最大值。纤维横截面形状对压电与介电性能及其随长径比的变化规律不产生任何影响,但纤维截面形状对其应力.应变行为产生大的影响,圆截面纤维比方形截面具有更大的应变。在同一应力作用下,PZT5纤维的应变非常大,而PMnS-PZN-PZT纤维的抗拉强度则可以达到43.5MPa,是PZT5纤维的2倍; (3)以甲基四氢苯酐为固化剂、邻苯二甲酸二辛脂为塑性剂和2,4,6-三-(二甲胺基甲基)-苯酚作促进剂组成的环氧树脂固化体系,固化温度及固化速度适中,固化后无气泡产生。随纤维体积含量φ的增加,介电常数、剩余极化强度与矫顽场增大,但均低于纯陶瓷,压电电压系数d_(33)、机电耦合系数k_p和k_t、声阻抗Z显著增大而压电应变系数g_(33)明显降低,且k_t和g_(33)值高于纯陶瓷的性能,Q_m比陶瓷相小很多,使得1-3复合材料具有较高的g_(33)/d_(33)和k_t/k_p,表现出很好的各向异性; (4)复合材料的长径比对径向谐振、厚度谐振及横向结构模都会产生很大影响,随压电纤维长径比的减小,横向结构振动模干扰减弱,此时,复合材料的串并联谐振频率f_s、f_p升高,带宽增加。因此,可以通过调整材料的厚度获得单纯的谐振模。但是压电纤维的长径比不能太小,长径比太小的复合材料的d_(33)值很低,压电性能太差,当压电纤维长径比位于2≤t/d≤4之间时,复合材料的性能较佳,且具有单纯的厚度振动模式。复合材料的介电常数和介电损耗受压电相性能的影响非常之大,复合材料的性能变化规律同压电纤维性能的变化规律相同,因此可以通过改变压电纤维的性能来调节复合材料的性能; (5)通过模型设计,采用有限元分析了1-3压电复合材料在电场作用下的应力应变情况,研究了纤维体积含量及长径比对1-3型压电复合材料的介电性能、压电性能的影响。结果表明:纤维的长径比对纤维振动模式产生大的影响,长径比较小时同时具有厚度振动与径向振动,长径比较大时同时具有厚度振动与弯曲振动,当长径比为t/d=2~4之间时,可获得单纯的厚度振动模式。压电纤维上的应变和应力均远大于环氧树脂上的应变和应力,而且在陶瓷纤维与环氧树脂的界面上出现了应力集中。压电常数d_(33)随着纤维体积含量的增加迅速增大,最后趋于饱和,介电常数随着纤维体积含量的增加几乎呈线性增加。有限元模拟结果与实验结果吻合,能够很好的指导材料设计和制备。


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