PZT壓電陶瓷纖維連續(xù)紡絲及其在1-3型壓電纖維復合材料的應用.pdf

1、本論文采用溶膠-凝膠法和連續(xù)紡絲技術制備PZT壓電陶瓷纖維，系統(tǒng)研究PZT纖維的結(jié)構(gòu)和性能；采用排列-澆注法制備1-3型壓電纖維復合材料，從理論和實驗上對復合材料的性能進行分析研究；最后從器件原型角度，研究叉指型壓電纖維復合材料的傳感性能和正交異性特性。 以三水乙酸鉛、丁醇鋯和丁醇鈦為原料，正丁醇為溶劑，乙酰丙酮為穩(wěn)定劑，采用獨立前驅(qū)體法制備可紡性良好的PZT溶膠，研究PZT溶膠的生成機理，分析溶劑、加水量、穩(wěn)定劑和絡合劑等因素

2、對溶膠體系的影響，討論添加紡絲助劑PVP對紡絲成型和纖維結(jié)構(gòu)的影響；PZT凝膠纖維在適當?shù)臒崽幚項l件下轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾衫w維，XRD結(jié)果顯示PZT在650℃保溫1h時形成單一的鈣鈦礦相，經(jīng)1000℃保溫1h燒結(jié)后轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電四方相；SEM形貌觀察到PZT陶瓷纖維表面平整，結(jié)構(gòu)致密，直徑小于50μm；EDS成分分析表明PZT陶瓷纖維成分基本保持Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的化學計量比；PZT陶瓷纖維具有明顯的鐵電性能，燒結(jié)溫度為1000℃時

3、，其剩余極化強度Pr為20.9μC/cm2，矯頑電場Ec為10.2kV/cm。 采用與PZT陶瓷纖維同源的溶膠-凝膠法制備PZT陶瓷塊體，對不同熱處理溫度下PZT陶瓷塊體的結(jié)構(gòu)和性能進行分析。經(jīng)過1240℃燒結(jié)保溫2h時PZT陶瓷具有最大致密度(7730kg/ms)和最佳的介電、壓電和鐵電性能，其在1kHz下的介電常數(shù)ε和介電損耗tanδ分別為1175和0.004，壓電常數(shù)d33為285μC/N，剩余極化強度Pr和矯頑電場Ec分

4、別為25.2μC/cm2和13.5 kV/cm。從極化原理出發(fā)，對PZT陶瓷的極化條件進行研究，確定最佳極化條件，并對陶瓷極化前后介電常數(shù)和介電損耗的變化進行分析討論。 以環(huán)氧樹脂為基體相，PZT陶瓷纖維為壓電相制備1-3型圓柱形壓電纖維復合材料和叉指電極壓電纖維復合材料。圓柱形壓電纖維復合材料的介電、壓電和鐵電性能均隨纖維體積分數(shù)的增大而增大。采用光刻法制備壓電復合材料叉指電極，叉指型復合材料具有薄片化外型和良好撓曲性。利用有

5、限元分析方法對叉指型壓電纖維復合材料的靜電場大小及其分布進行研究。采用簡化模型對叉指型壓電纖維復合材料的鐵電性能參數(shù)進行計算和分析，其剩余極化強度Pr和矯頑電場Ec均比相同纖維含量的圓柱形復合材料的值要小。 從器件原型出發(fā)，研究叉指型壓電纖維復合材料的傳感性能，采用一端固定另一端自由的棒的彎曲振動模型，驗證材料彎曲振動模式的正壓電效應產(chǎn)生的電壓響應的固有頻率為材料的彎曲諧振頻率。復合材料在簡諧激振下有明顯的周期性電壓輸出。叉指型