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多孔PZT的制备与性能表征

肖文文  
【摘要】: 3-3压电复合材料具有高的灵敏度,特别适用于水下及人体组织的超声传感,已引起了国内外许多科研人员的关注。在对文献调研和分析3-3压电复合材料研究现状及进展基础上,以PZT多孔陶瓷为研究对象,将孔隙中的空气作为第二相添加物,研究材料制备及其性能,为3-3压电复合材料的制备与应用提供理论与试验依据。 以PbO、ZrO_2、TiO_2为原料,采用两步烧成方法制备多孔PZT陶瓷,探索其制备工艺,研究表明排胶之后直接烧结有利于减少材料的内应力,在一定程度上减少材料的四方相。通过XRD和Raman光谱对其相组成及结构进行了分析,孔隙率测定和SEM分析表明,成型压力在120MPa形成的孔隙率比较稳定。造孔剂的形状和粒径决定材料中孔隙的形状和大小。陶瓷粉料粒径越小则形成的孔隙率越低。随着造孔剂含量的增加,孔隙率增大。随着烧结温度的升高,孔隙率下降。 结构分析和电学性能测试表明,烧结温度对材料压电性能、介电性能有显著影响。随着烧结温度的增加,晶粒增大,减少了晶粒界面和晶轴的“钉扎”作用,材料介电常数下降,压电常数升高,在1250℃烧结时材料的综合性能比较好。 采用理论模型模拟了3-3连接的多孔PZT压电、介电性能随孔隙形状及孔隙率变化的关系,理论模拟的变化趋势能够较好的与实验结果匹配:在一定孔隙率下,孔隙沿平行于极化方向上的扩展增加了对纵向压电常数和介电常数有利的的压电陶瓷的体积,使材料的压电、介电性能均增大,作为水听器的时候其g_h、d_h和灵敏度均增加,而其超声阻抗却不随孔的形状变化。在孔隙率小于50%的时候,随着孔隙率的增加,材料的压电、介电性能均下降,而其作为水听器的g_h、d_h.和灵敏度均增大,阻抗性能也比致密PZT大大提高。 所建立的理论模型正确地预示了各项参数的变化趋势,说明了孔隙沿垂直于极化方向和平行于极化方向扩展对材料性能的影响。而Banno的修正的立方体模型比较适用于低孔率条件下材料的介电、压电性能随孔隙率变化情况的预测。


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