锆钛酸铅压电纤维及其复合材料的制备与性能研究

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锆钛酸铅(PZT)是钙钛矿结构(AB03)多晶压电陶瓷,因其优良的压电性能和机电耦合性能而被广泛应用于结构控制、压电变压器、换能器、存储器等领域中。但多晶陶瓷硬而脆的特性限制了它的应用范围,1-3型压电纤维复合材料继承了压电相的高耦合效应和聚合物相低声阻抗,克服了纯压电陶瓷在强度和脆性方面的缺点,具有高的压电系数和机电耦合系数,低的密度和介电常数,在医疗超声、无损检测、超声换能等领域具有重要应用。作为功能相,压电纤维决定了1-3型压电复合材料的最终性能,因此,压电纤维的制备在整个工艺流程中非常重要,而采用传统方法制备的压电纤维性能较差,因此,本论文主要研究了PZT压电纤维制备工艺的优化,采用喷雾造粒的空心PZT预烧粉取代球磨烧成粉,通过粘稠塑性加工法获得了结构致密、性能优异的PZT压电纤维。通过制备1-3型压电复合材料对纤维的性能进行了表征。论文主要完成的工作和取得的结果如下:(1)通过对比PZT-51预烧粉和烧成粉粉末颗粒尺寸及形貌特征及其块体的性能,对比后得出PZT-51预烧粉具有良好的流动性且其块体性能较好,因此选择PZT-51预烧粉粉来制备PZT压电纤维。(2)采用粘稠塑性加工法,获得了具有高固相含量、高粘塑性的PZT泥料。经模具挤压获得了直径为200μm的纤维生坯,对不同工艺烧结后的纤维物相、组织形貌及性能进行了对比,结果表明纤维最佳烧结工艺为1250℃保温1h,所得纤维密度为7.3g/cm-3,压电系数最高为573pC·N-1。(3)通过排列浇注法制备了1-3型压电纤维复合材料,对其性能进行了表征,结果表明:1250℃烧结所得纤维制备的1-3型压电复合材料具有最高的压电系数d33为382pC·N-1,其厚度模式机电耦合系数kt为0.58,径向模式机电耦合系数kp为0.30,有效地抑制了径向模式振动,使能量集中于厚度模式振动,提高了换能器的工作效率。
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