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1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料的制备、结构与性能研究

徐玲芳  
【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


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