0-3型复合材料中组元性能对其压电性能影响的研究

论文摘要

0-3型压电复合材料是由陶瓷颗粒均匀分布于三维的聚合物基体而构成。此材料具有脆性小、密度和介电常数低,易制成大面积薄片等优点,但是由于其压电性能差而影响了它的推广使用。本文对复合材料的陶瓷相组元和掺入第三相进行研究以便能够提高复合材料的压电性能。 论文首先建立Dilute模型,利用有限元法分析,对0-3型复合材料的结构和性能进行模拟计算,得出无机组元的颗粒尺寸、介电性和压电性等与复合材料压电性能之间的定性关系。 组元的介电性直接影响复合材料内部电势场的分布,在复合材料中较低介电性的组元获得较强的电场分布,降低陶瓷相介电常数或者提高聚合物基体介电常数是提高功能相内电势场分布的有效方法。陶瓷相可通过掺杂改性来实现介电性的降低,而聚合物介电常数普遍较低,所以采用具有较高介电性的第三相来改善聚合物基体介电常数低的缺点,提高复合材料的压电性能。 陶瓷颗粒形状是影响复合材料压电性能较为重要的因素,单纯地降低陶瓷颗粒大小并不能有效地提高复合材料性能。而采用不同粒度级配的陶瓷颗粒,使小颗粒填充于由大颗粒堆积的形成的间隙中,对提高0-3型复合材料压电性能和其中陶瓷相组元的最大含量都是十分有效的。 制定相应的实验方案,确定陶瓷粉体PZT和0-3型复合材料的合成方法。再将聚苯胺作为第三相掺入到聚合物基体PVDF中与陶瓷颗粒进行复合,在一定温度和静电场下对材料进行极化。对不同方案所得复合材料样品进行性能测试表明,低介电性陶瓷粉体、陶瓷颗粒良好的粒度分布和一定量聚苯胺的掺入,都使得复合材料的压电常数得到了一定程度的提高。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 压电复合材料
• 1.1.1 压电复合材料分类
• 1.1.2 影响压电复合材料性能的因素
• 1.2 压电复合材料研究现状
• 1.3 0-3型复合材料存在的问题
• 1.4 本课题研究目的和内容
• 第二章 复合材料压电常数的数值分析
• 2.1 Dilute模型建立与数值分析
• 2.1.1 Dilute模型与基本假设
• 2.1.2 二元组分理论分析
• 2.1.3 陶瓷组元压电常数的影响
• 2.1.4 陶瓷组元介电常数的影响
• 2.1.5 陶瓷组元粒度的影响
• 2.2 Yamada模型与数值分析
• 2.2.1 基本模型
• 2.2.2 介电常数分析
• 2.2.3 压电常数分析
• 2.2.4 数值分析与讨论
• 2.3 小结
• 第三章 压电复合材料的制备
• 3.1 实验原料
• 3.1.1 无机原料
• 3.1.2 聚合物基体材料
• 3.2 PZT陶瓷粉体的制备
• 3.2.1 合成PZT反应原理
• 3.2.2 PZT陶瓷合成工艺
• 3.3 压电复合材料制备
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 PZT陶瓷粉体性能表征
• 3.4.2 PZT／PVDF复合材料性能表征
• 第四章 复合材料中陶瓷组元对其压电性能的影响
• 4.1 陶瓷组元介电性对复合材料压电性能的影响
• 4.1.1 实验过程
• 4.1.2 实验结果与性能分析
• 4.2 陶瓷粉体粒度对复合材料压电常数的影响
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 实验结果与性能分析
• 第五章 压电复合材料中聚苯胺掺杂对其性能影响
• 5.1 三组元复合材料Dilute模型分析
• 5.2 实验
• 5.2.1 聚苯胺的合成
• 5.2.2 PVDF／聚苯胺的制备
• 5.2.3 压电复合材料的制备
• 5.3实验结果及性能分析
• 5.3.1 聚苯胺差热分析（DTA）
• 5.3.2 聚苯胺／PVDF的扫描电镜（SEM）分析
• 5.3.3 PVDF／聚苯胺的介电常数
• 5.3.4 压电复合材料的扫描电镜（SEM）分析
• 5.3.5 复合材料压电常数
• 第六章结论
• 参考文献
• 致谢