PZT/聚合物基压电复合材料结构与性能研究

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具有良好柔韧性的压电复合材料因其兼有压电陶瓷和聚合物两相的优点,受到越来越多的关注。本文在分析压电复合材料研究现状的基础上,针对其在水声材料的应用,系统地研究了成型工艺、极化参数、压电陶瓷相、聚合物相以及聚合物掺杂等因素对0-3型复合材料的压电、介电、铁电性能和声阻抗的影响规律,揭示了极化的机制,确定了最佳的组分。我们发现锆钛酸铅/纳米晶聚氯乙烯(PZT/PVC)压电复合材料的综合性能优于传统上被认为最好的锆钛酸铅/聚偏氟乙烯(PZT/PVDF)压电复合材料,为水声探测器提供了一种全新的材料。 (1) 采用微波成型、热压机成型和冷压机成型三种成型工艺制备了PZT/PVDF压电复合材料,研究发现微波成型工艺制备的复合材料界面粘结最好,热压机成型工艺次之,冷压机成型工艺最差。其中微波成型工艺是在国内外首次采用,如果能解决设备问题,将在复合材料的制备上具有很大的应用前景。 (2) 通过极化工艺参数研究,发现极化电场强度、极化温度和极化时间都对复合材料的性能有较大的影响。对PZT/PVDF压电复合材料,适宜的极化时间为30min,极化温度为80~100℃,极化电压为10-15kV/mm。 (3) 随着陶瓷含量的增大,聚合物基压电复合材料的介电、压电和铁电性能都呈现非线性增大。当陶瓷含量到50%以后,0-3(1-3)混合连通形式的形成引起复合材料剩余极化强度的增大、矫顽场降低。同时,也造成复合材料密度ρ、声阻抗Z迅速增大。 (4) 随着陶瓷颗粒粒度的增大,复合材料的压电应变常数d33、介电常数εr、机电耦合系数Kp和Kt等增大,声阻抗和机械品质因素Qm降低,压电电场常数g33的基本不变。随着陶瓷粒度的增大,复合材料的剩余极化强度(Pr增高,矫顽场(Ec)降低,陶瓷相更易极化。陶瓷粒度高于325目后,容易加工成大面积的薄膜。陶瓷粒度均匀分布有利于提高复合材料的综合性能。 (5) 采用高温热处理PZT陶瓷粉末。DSC和XPS测试表明,高温热处理后,PZT陶瓷粉末表面能降低,晶粒表面微结构优化。经高温热处理后的PZT陶瓷粉末制备的复合材料相对密度高,颗粒分布均匀,复合材料的综合性能好,声阻抗基本不变。 (6) 选用了三种热塑性聚合物为基体,采用热压工艺制备了三个体系的PZT/
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