納米復合PZT壓電陶瓷的制備及其力學性能研究.pdf

1、納米復合陶瓷是指納米相顆粒均勻、彌散地分布在陶瓷基體中形成的復合材料。陶瓷結(jié)構(gòu)納米化可使其力學性能顯著提高，突出表現(xiàn)在：斷裂強度、斷裂韌性和耐高溫性能三個方面，同時還能提高材料的硬度、彈性模量、Weibull模數(shù)、并對熱導率、熱膨脹系數(shù)、抗熱震性等產(chǎn)生有益的影響。 但是，壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)納米化對其性能的影響尚缺乏研究。本文利用Pb(NO3)2、Zr(NO3)4-5H2O、Ti(OC4H9)4作為原料，NaOH作為礦化劑，通過溶膠．

2、凝膠法結(jié)合水熱處理制備了組成近于準同型相界(MPB)的Pb(zr0.52Ti0.48)O3納米晶(PZT)粉體并利用傳統(tǒng)氧化物燒結(jié)法制備組成相同的PZT粉體。通過DSC/TGA、FT—IR、XRD和SEM對合成粉體進行了分析和表征。由此制備了均勻組成和結(jié)構(gòu)的普通和納米復合PZT陶瓷，并對其彈性模量、彎曲強度、硬度和斷裂韌性等力學性能進行了測試分析；且利用SEM分析了PZT陶瓷的斷口形貌及斷裂方式；又通過Weibull統(tǒng)計評價了PZT陶瓷

3、的彎曲強度的分散性；還通過R曲線模擬分析，研究了極化對PZT陶瓷強度的影響。 DSC/TGA、FT—IR、XRD和SEM結(jié)果表明：溶膠—凝膠法制備的PZT相在220℃開始出現(xiàn)，270℃水熱處理2h合成了純相納米晶PZT粉體，粉體的晶粒大小為25nm左右。 納米復合PZT壓電性能測試結(jié)果表明其機電耦合系數(shù)，介電常數(shù)和壓電系數(shù)等壓電性能指標均不低于普通PZT陶瓷。力學性能測試結(jié)果表明：納米復合PZT陶瓷的彈性模量較普通PZT

4、陶瓷有明顯提高，約提高36％；納米復合PZT陶瓷的彎曲強度較普通PZT陶瓷有明顯提高，約提高29％，納米復合PZT強度的升高主要是晶界強化導致的結(jié)果；不同載荷下，納米復合PZT陶瓷硬度均高于普通PZT陶瓷的硬度，并且兩種材料都存在壓痕尺寸效應：在壓痕載荷5Kg條件下，納米復合PZT陶瓷的斷裂韌性較普通PZT陶瓷有明顯提高，約提高50％左右；極化狀態(tài)納米復合PZT陶瓷的斷裂韌性存在各向異性，平行于極化方向的斷裂韌性值高于另外兩個垂直于極化

5、方向斷裂韌性值，并認為這種斷裂韌性的各向異性是由極化PZT陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)及力致疇變現(xiàn)象造成的。對彎曲強度的Weibull統(tǒng)計分析表明：在試驗樣品數(shù)為26的情況下，普通PZT陶瓷的Weibull模數(shù)為3.59，而納米復合PZT陶瓷材料Weibull模數(shù)為8.167，說明納米復合PZT陶瓷材料彎曲強度波動范圍較小。斷口的SEM與分形分析表明：普通PZT陶瓷在快速擴展區(qū)的斷裂方式是沿晶斷裂，納米復相PZT陶瓷是穿晶斷裂，穿晶斷裂的斷口分形維數(shù)

6、高于沿晶斷裂，分形維數(shù)與斷裂韌性成正比例關(guān)系，這明顯表明壓電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)納米化對斷裂韌性的有益影響。R曲線模擬分析表明：極化方向的裂紋擴展阻力隨著裂紋深度的增加而增加，體現(xiàn)了疇致偏轉(zhuǎn)對斷裂的阻礙作用。 綜上所述，本課題研究表明，PZT壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的納米化，可以實現(xiàn)其在壓電性能不變或稍有提高的情況下，大幅度地提高力學性能。換言之，結(jié)構(gòu)納米化，可以在保證PZT壓電陶瓷原有性能參數(shù)的條件下，顯著地改善其力學性能。因此，可以預期，PZ