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0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料极化性能改善的研究

作　者: 冯玉华
导　师: 沈湘黔；潘铁政
学　校: 江苏大学
专　业: 材料学
关键词: 压电复合材料 锑锆钛酸铅 掺杂 居里温度 高温极化 中间过渡层 钛酸钙 包覆 极化性能
分类号: TM22
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料因机械强度高、声阻抗小、与水和生物体的匹配性好等优点,可用于水声换能器、医学传感器等领域。0-3型压电复合材料中的压电陶瓷相主要以颗粒状分布,两相的介电常数有很大的差异导致压电陶瓷相在极化过程中分布电场很小,难以得到有效的极化。改善0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的极化性能可以通过改变其极化方式和提高陶瓷相上的分布电压来实现。本论文从两方面研究了如何改善0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的极化性能。一是制备低居里温度的Ba掺杂锑锆钛酸铅（PSZT）压电陶瓷,然后制备出0-3型PSZT/PVDF压电复合材料,通过高温极化改善复合材料的极化性能。二是建立含中间过渡层0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的模型,并通过在0-3型PZT/PVDF压电复合材料中引入钛酸钙（CaTiO3）中间过渡层来对模型进行验证。采用固相法制备了组成为0.98Pb1.0-xBaxTi0.48Zr0.52O3-0.02PbSbO3（x=0.14,0.16,0.18,0.20,0.22,0.24）压电陶瓷。Ba掺杂引起了PSZT陶瓷结构、居里温度、介电性能和压电性能的变化。当Ba掺杂量为0.22时制备出了具有低居里温度、高压电应变常数的压电陶瓷,其具体的性能如下:居里温度为156℃,介电常数为5873,介电损耗为0.0387,压电应变常数为578 pC/N,机电耦合系数为0.63,机械品质因数为37.3。采用自制流涎成型设备制备了具有低居里温度的0-3型PSZT/PVDF压电复合材料,采用高温极化方式对其进行极化。通过XRD、压电应变常数的分析表明,提高高温极化时的终止极化电压可以改善复合材料的极化性能;和常规极化方式相比,高温极化方式可以降低复合材料的极化电压。基于Furukawa的0-3型压电复合材料的模型,建立了含中间过渡层的0-3型压电复合材料模型。从理论上分析了中间过渡层的体积分数、中间过渡层和聚合物基体介电常数比对陶瓷相上分布电场的影响,结果表明引入合适体积分数和介电常数的中间过渡层可以提高极化时0-3型压电复合材料中压电陶瓷上的电场分布。采用溶胶-凝胶法在PZT压电陶瓷颗粒表面包覆了不同含量的CaTiO3,并制备了CaTiO3中间过渡层体积分数分别为0%,7%,14%,21%,28%和35%的0-3型PZT/PVDF压电复合材料。CaTiO3的体积分数小于21%时,含CaTiO3中间过渡层的0-3型PZT/PVDF压电复合材料的介电常数实验值与理论值吻合较好,当CaTiO3的体积分数大于21%时由于复合材料气孔率的迅速增加实验值与理论值出现了较大的偏差。CaTiO3的体积分数从0%增加到14%时,含CaTiO3中间过渡层的0-3型PZT/PVDF压电复合材料的压电应变常数由12.4 pC/N增加到了17.2pC/N,提高了38.7%。可见通过添加适量的CaTiO3中间过渡层可以改善0-3型压电复合材料的极化性能。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章 绪论  11-27
  1.1 压电材料基础  11-15
    1.1.1 压电效应  11-13
    1.1.2 压电复合材料  13-15
  1.2 0-3型压电复合材料的研究现状  15-25
    1.2.1 制备工艺  15-17
    1.2.2 极化工艺  17-19
    1.2.3 近年来研究重点  19-24
    1.2.4 存在的问题  24-25
  1.3 本课题的研究目的和意义  25
  1.4 本课题研究的内容  25-27
第二章 固相反应法制备低居里温度PSZT压电陶瓷  27-40
  2.1 实验所用原料和设备仪器  27-28
    2.1.1 实验所用原料  27
    2.1.2 实验仪器及设备  27
    2.1.3 检测仪器  27-28
  2.2 实验过程  28-30
    2.2.1 合成工艺  28-29
    2.2.2 样品表征  29-30
  2.3 实验结果与讨论  30-39
    2.3.1 XRD物相分析  30-33
    2.3.2 Raman光谱分析  33-34
    2.3.3 SEM分析  34-35
    2.3.4 介电温谱分析  35-36
    2.3.5 介电性能分析  36-37
    2.3.6 压电性能分析  37-39
  2.4 小结  39-40
第三章 0-3型PSZT/PVDF压电复合材料的制备及表征  40-47
  3.1 实验所用原料和设备仪器  40-41
    3.1.1 实验所用原料  40
    3.1.2 实验仪器及设备  40-41
    3.1.3 检测仪器  41
  3.2 实验过程  41-44
    3.2.1 制备过程  41-42
    3.2.2 高温极化  42-43
    3.2.3 样品表征  43-44
  3.3 实验结果与讨论  44-46
    3.3.1 XRD分析  44
    3.3.2 SEM分析  44-45
    3.3.3 压电性能分析  45-46
  3.4 小结  46-47
第四章 含过渡层0-3型压电陶瓷/聚合物复合材料模型  47-58
  4.1 模型的建立  47-51
  4.2 模型的分析  51-56
  4.3 小结  56-58
第五章 0-3型PZT-CaTiO_3/PVDF复合材料的制备及表征  58-69
  5.1 实验所用原料和设备  58-59
    5.1.1 实验所用原料  58
    5.1.2 实验所用设备  58-59
    5.1.3 检测仪器  59
  5.2 实验过程  59-62
    5.2.1 压电陶瓷颗粒表面包覆CaTiO_3  59-60
    5.2.2 压电复合材料的制备  60-61
    5.2.3 样品表征  61-62
  5.3 实验结果与讨论  62-68
    5.3.1 TG-DSC分析  62-63
    5.3.2 FT-IR分析  63-64
    5.3.3 XRD分析  64
    5.3.4 SEM和EDS分析  64-65
    5.3.5 介电性能分析  65-66
    5.3.6 压电性能分析  66-68
  5.4 小结  68-69
第六章 结论和建议  69-71
  6.1 主要结论  69-70
  6.2 对今后工作的建议  70-71
参考文献  71-77
致谢  77-78
攻读硕士期间发表或待发表的论文  78

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 强性介质和压电介质
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