1-3型PZT5-epoxy resin壓電復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、1-3型壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料兼具壓電陶瓷的壓電活性和聚合物的柔韌性。與單相壓電材料及壓電聚合物相比，具有較高的壓電應(yīng)變常數(shù)和厚度機(jī)電耦合系數(shù)、低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和聲阻抗，適合制作高靈敏度、寬帶、窄脈沖的換能器，是醫(yī)療超聲、無(wú)損探傷和水聽器的理想材料。 本文在分析1-3型壓電復(fù)合材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)其在醫(yī)療超聲換能器上的應(yīng)用，采用塑性聚合物方法、排列-澆鑄法，系統(tǒng)地研究了成型工藝、極化參數(shù)、壓電陶瓷體積含量及縱橫比等因素對(duì)

2、1-3型壓電復(fù)合材料的壓電、介電、鐵電性能和聲阻抗的影響，并基于復(fù)合理論，研究了材料的相關(guān)規(guī)律，得到了實(shí)驗(yàn)與理論相吻合的研究結(jié)果，為這類材料的應(yīng)用和開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。具體工作及結(jié)論如下： (1)采用塑性聚合物方法分別制備了截面為圓形和方形的PZT5陶瓷纖維，分析了泥料中有機(jī)物含量、燒成條件對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明，最優(yōu)化泥料配方為PZT5∶PVA粘合劑∶丙三醇=30∶4∶1(wt％)，最佳燒成溫度為1280℃，保

3、溫時(shí)間為4h。PZT5陶瓷纖維結(jié)構(gòu)致密，晶粒大小均勻，約2～5μm。 (2)圓柱形PZT5纖維的吸水率Wa、顯氣孔率Pa和體積密度ρv分別為0.45％、0.44％和7.89g/cm3?？估鞆?qiáng)度U.T.S.可達(dá)24.88MPa。剩余極化Pr與矯頑場(chǎng)Ec分別為41.40μC/cm2和1.10kV/mm。方形PZT5纖維的體積密度ρv、抗拉伸強(qiáng)度U.T.S.、剩余極化Pr和矯頑場(chǎng)Ec分別為7.91g/cm3、23.97MPa、41.

4、68μC/cm2和1.10kV/mm。 (3)環(huán)氧樹脂的固化工藝表明，采用順丁烯二酸酐為固化劑時(shí)可獲得結(jié)構(gòu)致密、幾乎無(wú)氣孔的環(huán)氧樹脂。1kHz下，環(huán)氧樹脂的相對(duì)介電常數(shù)ε*和介電損耗tanδ分別為3.81和3％，且在0～10MHz范圍內(nèi)變化不大。極化工藝對(duì)1-3型壓電復(fù)合材料的性能有較大的影響，最佳極化工藝參數(shù)為極化時(shí)間30min，極化溫度100℃，極化電壓2.5kV/mm左右。采用排列-澆鑄法可實(shí)現(xiàn)PZT5纖維的非周期性分布排

5、列。 (4)陶瓷體積含量φ對(duì)1-3型壓電復(fù)合材料的性能有較大影響，性能的變化規(guī)律可以歸納為：隨著陶瓷相含量φ的增加，1-3型壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)εT幾乎線性增加；剩余極化強(qiáng)度Pr顯著增大，當(dāng)φ為85％時(shí)，剩余極化強(qiáng)度Pr高達(dá)31.88μC/cm2；壓電應(yīng)變常數(shù)(-d33)隨著φ的增加而增大，其壓電電壓系數(shù)(-g33)比PZT5陶瓷大，隨φ的增加而減??；徑向機(jī)電耦合系數(shù)kp比PZT5陶瓷的kp小，且(-kt)＞(-kp)；機(jī)械品

6、質(zhì)因數(shù)(-Qm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PZT5純陶瓷；聲阻抗Z隨φ增大而增大，且均小于PZT5陶瓷。且各項(xiàng)性能隨體積含量φ的變化趨勢(shì)與復(fù)合理論的結(jié)果相吻合，可以用復(fù)合理論設(shè)計(jì)寬頻、大各向異性、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的1-3型壓電復(fù)合材料。 (5)陶瓷纖維縱橫比t/d對(duì)1-3型壓電復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均有影響。其介電、鐵電、壓電性能隨縱橫比的變化關(guān)系表明：隨t/d的增加，介電常數(shù)εT和介電損耗tanδ均減小。壓電應(yīng)變常數(shù)(-d33)和壓電電壓系數(shù)(-g3

7、3)均隨著縱橫比t/d的增加而增大，且(-g33)比PZT5陶瓷大。其串并聯(lián)諧振頻率fs、fp隨厚度t的增加而降低。徑向機(jī)電耦合系數(shù)(-kp)小于30％，厚度機(jī)電耦合系數(shù)(-kt)均大于單相PZT5陶瓷(kt為50％)，各向異性(-kt)/(-kp)均在1以上，且隨PZT5纖維縱橫比的增大而減小。隨PZT5纖維縱橫比t/d的減小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm減小，而頻率常數(shù)(-Nt)和聲阻抗(-Z)增大。進(jìn)而說(shuō)明在較適中的縱橫比下，可以有效的抑制徑