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多基元压电复合材料的制备与性能研究

作　者: 周美娟
导　师: 黄世峰
学　校: 济南大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 多基元压电复合材料 声耦合性能 去耦材料 一致性 化学镀金
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


水声换能器或基阵是声纳系统的核心部件，由多个换能器基元组成的大型声基阵能有效提高声纳的探测距离、搜索率和定向准确度。影响换能器基阵性能的主要因素是换能材料和制备工艺。作为换能器基阵的理想元件，多基元压电复合材料是在材料与工艺相结合的基础上进行研究的，不仅提高了换能基元的性能，还避免了由于基阵制备工艺的不足而引起的误差。因此，多基元压电复合材料在水声探测和扫描领域具有广泛的应用前景。本文以锆钛酸铅压电陶瓷PZT-4为功能相，以环氧树脂为基体材料，采用二步切割-浇注工艺，通过向复合材料基元之间填充去耦材料的方法，制备多基元压电复合材料，并对其压电、介电、机电耦合、频率及声耦合性能进行了研究；采用无氰化学镀金的方法制备压电材料电极，分析了镀液成分及工艺条件对镀速及镀层性能的影响。为多基元压电复合材料的发展与应用提供理论基础。分别以聚氯乙烯、氯丁橡胶、聚氨酯、硅胶为去耦材料制备多基元压电复合材料，研究了去耦材料对复合材料声耦合性能的影响。结果表明，浇注去耦材料后，复合材料各基元之间的声耦合明显减弱；不同去耦材料对声波的衰减作用不同，其中硅胶和聚氯乙烯的去耦性能及温度稳定性最好，在-30℃100℃范围内，相邻基元间的信号衰减率均能达到95%以上；氯丁橡胶和聚氨酯的去耦性能及温度稳定性较差，在80℃以上的高温下才具有较好的去耦性能；聚氯乙烯的可操作性差，在150℃高温下恒温2h才能固化，因此本文选择硅胶为去耦材料；随厚度的增加，硅胶的去耦性能呈先增大后趋于平稳的趋势，当厚度达到2mm后，去耦作用不再变化。研究了形状参数对多基元压电复合材料性能的影响，结果表明，含有不同基元个数的复合材料均具有很好的一致性及去耦性能，任意相邻基元间的信号衰减率均达到97%以上；随基元个数的增多，复合材料的压电性能一致性变差，但对频率、机电耦合性能一致性及声耦合性能没有影响；不同PZT体积分数的复合材料均具有很好的压电及频率性能的一致性，而介电和机电耦合性能一致性随PZT体积分数的增加而变好；临近基元衰减率均达到93%以上，PZT体积分数对复合材料声耦合性能没有影响；随PZT体积分数的增加，复合材料的d33、εr、Kt逐渐增大，tanδ、g33逐渐减小；基底厚度对多基元压电复合材料各基元的压电性能、介电性能及频率一致性没有影响，但随基底厚度的增大，复合材料机电耦合性能一致性变差，各基元间声耦合作用增强；随压电陶瓷基底厚度的增大，d33、εr逐渐增大，g33、tanδ、fs、Kt逐渐减小，介电-温度稳定性变差。柱高对多基元压电复合材料各基元的压电性能一致性及声耦合性能没有影响，随柱高的减小，复合材料的频率及机电耦合性能一致性变差，但整体影响较小；随陶瓷柱高度的减小，d33、厚度模强度及纯净度减小，机电耦合性能变差，fs线性增大，得到线性回归方程为：fs=263.97–12.57l。研究了化学镀金配方及工艺对镀速及镀层性能的影响，得到了适合于压电材料的表面金电极制备的化学镀金配方及工艺参数。结果表明，化学镀金的最佳配方为：主盐Na3Au（SO3）22g·L-1（以金计），络合剂Na2SO313g·L-1，pH缓冲剂KH2PO415g·L-1，辅助络合和加速剂C2H8N2与金的摩尔比（610）:1，添加剂（C3H5NO）n0.61.0g·L-1，添加剂HO（CH2CH2O）nH1.01.5g·L-1；最佳工艺条件为：温度5055℃，pH7.07.5，时间810min；利用SEM、EDS、胶带实验、热震实验、滤纸法、电化学腐蚀等测试方法对镀层的形貌、微观结构、结合力、孔隙率及耐腐蚀性等进行了分析，表明最佳工艺及配方条件下所得镀层由金层和镍层两部分构成，且与基体材料结合紧密；镀层结构致密、均一性好、孔隙率小、电阻率低、耐腐蚀性强、结合力好。

全文目录


目录  5-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章 绪论  12-26
  1.1 选题背景及意义  12-17
    1.1.1 压电复合材料概况  12-13
    1.1.2 压电复合材料分类  13-14
    1.1.3 1-3 型压电复合材料  14-16
    1.1.4 1-3-2 型压电复合材料  16-17
  1.2 多基元压电复合材料  17-19
    1.2.1 多基元压电复合材料研究现状  17-18
    1.2.2 多基元压电复合材料结构与类型  18
    1.2.3 多基元压电复合材料的应用与发展前景  18-19
    1.2.4 去耦材料研究  19
  1.3 压电复合材料电极制备  19-23
    1.3.1 化学镀镍  20-21
    1.3.2 化学镀金  21-23
  1.4 论文研究内容  23-26
第二章 多基元压电复合材料制备与性能测试  26-34
  2.1 仪器设备  26
  2.2 原材料  26-27
  2.3 多基元压电复合材料制备  27-28
  2.4 性能测试  28-34
    2.4.1 多基元压电复合材料一致性  28-32
    2.4.2 多基元压电复合材料的声耦合性能  32-34
第三章 去耦材料对多基元压电复合材料声耦合性能的研究  34-44
  3.1 实验方法  34-35
  3.2 去耦材料的吸声性能研究  35-36
  3.3 去耦材料的去耦性能研究  36-37
  3.4 温度对去耦材料性能的影响  37-39
  3.5 去耦材料厚度和激发频率对多基元压电复合材料声耦合性能的影响  39-42
  3.6 小结  42-44
第四章 形状参数对多基元压电复合材料性能的影响  44-78
  4.1 基元个数对多基元压电复合材料性能的影响  44-50
    4.1.1 基元个数对多基元压电复合材料压电性能的影响  45
    4.1.2 基元个数对多基元压电复合材料机电耦合性能的影响  45-47
    4.1.3 基元个数对多基元压电复合材料频率特性的影响  47-48
    4.1.4 基元个数对多基元压电复合材料声耦合性能的影响  48-50
  4.2 PZT 体积分数对多基元压电复合材料性能的影响  50-59
    4.2.1 PZT 体积分数对多基元压电复合材料压电性能的影响  51-52
    4.2.2 PZT 体积分数对多基元压电复合材料介电性能的影响  52-54
    4.2.3 PZT 体积分数对多基元压电复合材料机电耦合性能的影响  54-57
    4.2.4 PZT 体积分数对多基元压电复合材料频率特性的影响  57
    4.2.5 PZT 体积分数对多基元压电复合材料声耦合性能的影响  57-59
  4.3 基底厚度对多基元压电复合材料性能的影响  59-69
    4.3.1 基底厚度对多基元压电复合材料压电性能的影响  60-61
    4.3.2 基底厚度对多基元压电复合材料介电性能的影响  61-64
    4.3.3 基底厚度对多基元压电复合材料机电耦合性能的影响  64-66
    4.3.4 基底厚度对多基元压电复合材料频率特性的影响  66-67
    4.3.5 基底厚度对多基元压电复合材料声耦合性能的影响  67-69
  4.4 柱高对多基元压电复合材料性能的影响  69-77
    4.4.1 柱高对多基元压电复合材料压电性能的影响  70-71
    4.4.2 柱高对多基元压电复合材料机电耦合性能的影响  71-75
    4.4.3 柱高对多基元压电复合材料频率特性的影响  75-76
    4.4.4 柱高对多基元压电复合材料声耦合性能的影响  76-77
  4.5 小结  77-78
第五章 压电复合材料电极制备  78-98
  5.1 实验材料  78
  5.2 仪器设备  78-79
  5.3 实验方法  79-80
  5.4 镀层性能测试  80-81
    5.4.1 镀速及镀层形貌测试  80
    5.4.2 结合力测试  80
    5.4.3 耐腐蚀性测试  80-81
    5.4.4 孔隙率测试  81
    5.4.5 电阻率测试  81
  5.5 镀液组分对镀层性能的影响  81-89
    5.5.1 亚硫酸钠浓度研究  81-83
    5.5.2 磷酸二氢钾浓度研究  83-84
    5.5.3 乙二胺含量研究  84-86
    5.5.4 添加剂对镀层性能影响的研究  86-89
  5.6 施镀工艺对镀层性能的影响  89-94
    5.6.1 温度对镀层性能的影响  89-90
    5.6.2 pH 对镀层性能的影响  90-91
    5.6.3 时间对镀层性能的影响  91-93
    5.6.4 工艺条件对添加剂活性的影响  93-94
  5.7 最佳条件下镀层性能  94-96
    5.7.1 镀层形貌  94
    5.7.2 镀层结合力  94-96
    5.7.3 镀层孔隙率  96
    5.7.4 镀层电阻率  96
  5.8 小结  96-98
第六章 结论与展望  98-100
  6.1 结论  98-99
  6.2 展望  99-100
参考文献  100-106
致谢  106-108
附录  108-109

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料
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