3-3型压电复合材料的制备及结构与性能研究

论文摘要

3-3连通型压电复合材料体积密度较低、静水压灵敏度高,与水之间的特性阻抗率匹配和耦合好,在超声检测领域中获得了较为广泛的应用。本文在对文献调研和分析3-3压电复合材料研究现状及进展的基础上,基于流延成型工艺,采用流延-定向堆垛法,以陶瓷相PZT和第二相石墨粉两种粉料制备出PZT与石墨两相三维规则交互排列的块体,大气烧结下石墨全部氧化后得到具有三维连通孔结构的PZT陶瓷。所得连通孔排列整齐、规律,孔大小和排列可控。以空气为第二相的3-3复合材料,经极化后得到具有压电性能的3-3型压电复合材料。实验过程分为3-3连通孔的制备和性能测试两部分。制备工艺着重考虑流延参数,烧结曲线的确定以及极化条件。选择了球磨时间48h,粉料与粘结剂体积配比为1：2,刮刀间隙500μm左右的实验参数。烧结过程分排胶和烧成两步,排胶过程由室温～200℃以前采用3℃／min的升温速率。200～600℃为主要失重区,采用1℃／min的低速升温。同时,为了保证粘结剂的完全排除,在200℃、400℃、600℃分别保温一小时。烧成阶段采用快烧,直接升温到1280℃保温90min,随炉冷。排胶过程在氧气充足条件下完成,烧成过程需要埋烧。极化过程采用120℃,3Kv／mm极化15min,得到较好的压电性能。讨论制备工艺过程中各步骤工艺参数,制备出L1：L2=2时孔隙率为21.4%-57.9%,L1：L2=1时孔隙率为16.4%-43.9%,L1：L2=0.5时孔隙率为28.8%-65.1%的3-3型压电复合材料；性能测试表明,随着孔隙率的升高,介电常数降低,纵向压电应变常数d33减小；静水压压电应变常数dh和静水品质因数先增加后减小,在孔隙率为20%～45%时达到最优值,而静水压电压常数gh逐渐增大。在保持孔隙率不变的情况下,随着L1：L2比值的升高,各项性能均有所升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 压电及压电材料的概述
• 1.2 压电复合材料
• 1.3 3-3型压电复合材料的制备方法
• 1.3.1 早期制备方法
• 1.3.2 塑料球粒燃烧法（BURPS）
• 1.3.3 熔丝沉积法Fused Deposition Technique（FD）
• 1.4 3-3型压电复合材料的理论模型
• 1.5 基于流延工艺的制备方法
• 1.6 研究目的和内容
• 2 实验
• 2.1 实验原料及性能参数
• 2.2 实验器材
• 2.3 实验工艺流程
• 2.3.1 流延工艺
• 2.3.2 叠片
• 2.3.3 一次温水均压
• 2.3.4 切割
• 2.3.5 交叉叠层
• 2.3.6 二次温水均压
• 2.3.7 修整
• 2.3.8 烧结
• 2.3.9 极化处理
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 孔结构的测定
• 2.4.2 介电常数的测定
• 2.4.3 压电性能的测定
• 3.制备工艺优化设计
• 3.1 流延工艺对生坯性能的影响
• 3.1.1 球磨时间对生坯性能的影响
• 3.1.2 粘结剂与粉料配比对生片性能的影响
• 3.1.3 刮刀间隙
• 3.2 烧结工艺
• 3.2.1 排胶（塑）温度的确定
• 3.2.2 烧成温度的确定
• 3.2.3 烧成质量的判断
• 3.3 极化工艺
• 3.2.1 极化电场
• 3.2.2 极化温度
• 3.2.3 极化时间
• 3.4 本章小结
• 4.孔结构及孔隙率对3-3型压电复合材料介电、压电性能的影响
• 4.1 理论模型
• 4.2 理论模型与制备工艺的关系
• 4.3 收缩率对孔结构的影响
• 4.4 长高比对压电性能的影响
• 4.4.1 长高比对相对介电常数的影响
• 33的影响'>4.4.2 长高比对纵向压电应变常数d₃₃的影响
• h的影响'>4.4.3 长高比对静水压压电应变常数d_h的影响
• h和静水品质因数FoM的影响'>4.4.4 长高比对静水压压电电压常数g_h和静水品质因数FoM的影响
• 4.5 本章小结
• 5.结论
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文或专利