PZT-聚合物基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、具有良好柔韌性的壓電復(fù)合材料因其兼有壓電陶瓷和聚合物兩相的優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文在分析壓電復(fù)合材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)其在水聲材料的應(yīng)用，系統(tǒng)地研究了成型工藝、極化參數(shù)、壓電陶瓷相、聚合物相以及聚合物摻雜等因素對(duì)0-3型復(fù)合材料的壓電、介電、鐵電性能和聲阻抗的影響規(guī)律，揭示了極化的機(jī)制，確定了最佳的組分。發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛/納米晶聚氯乙烯(PZT/PVC)壓電復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)上被認(rèn)為最好的鋯鈦酸鉛/聚偏氟乙烯(PZT/PV

2、DF)壓電復(fù)合材料，為水聲探測(cè)器提供了一種全新的材料。 (1)采用微波成型、熱壓機(jī)成型和冷壓機(jī)成型三種成型工藝制備了PZT/PVDF壓電復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)微波成型工藝制備的復(fù)合材料界面粘結(jié)最好，熱壓機(jī)成型工藝次之，冷壓機(jī)成型工藝最差。其中微波成型工藝是在國(guó)內(nèi)外首次采用，如果能解決設(shè)備問(wèn)題，將在復(fù)合材料的制備上具有很大的應(yīng)用前景。 (2)通過(guò)極化工藝參數(shù)研究，發(fā)現(xiàn)極化電場(chǎng)強(qiáng)度、極化溫度和極化時(shí)間都對(duì)復(fù)合材料的性能有較大的影

3、響。對(duì)PZT/PVDF壓電復(fù)合材料，適宜的極化時(shí)間為30min，極化溫度為80～100℃，極化電壓為10～15kV/mm。 (3)隨著陶瓷含量的增大，聚合物基壓電復(fù)合材料的介電、壓電和鐵電性能都呈現(xiàn)非線(xiàn)性增大。當(dāng)陶瓷含量到50﹪以后，0-3(1-3)混合連通形式的形成引起復(fù)合材料剩余極化強(qiáng)度的增大、矯頑場(chǎng)降低。同時(shí)，也造成復(fù)合材料密度ρ、聲阻抗Z迅速增大。 (4)隨著陶瓷顆粒粒度的增大，復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33、介電

4、常數(shù)εr、機(jī)電耦合系數(shù)Kp和Kt等增大，聲阻抗和機(jī)械品質(zhì)因素Qm降低，壓電電場(chǎng)常數(shù)g33的基本不變。隨著陶瓷粒度的增大，復(fù)合材料的剩余極化強(qiáng)度(Pr增高，矯頑場(chǎng)(Ec)降低，陶瓷相更易極化。陶瓷粒度高于325目后，容易加工成大面積的薄膜。陶瓷粒度均勻分布有利于提高復(fù)合材料的綜合性能。 (5)采用高溫?zé)崽幚鞵ZT陶瓷粉末。DSC和XPS測(cè)試表明，高溫?zé)崽幚砗?，PZT陶瓷粉末表面能降低，晶粒表面微結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮腜ZT陶瓷

5、粉末制備的復(fù)合材料相對(duì)密度高，顆粒分布均勻，復(fù)合材料的綜合性能好，聲阻抗基本不變。 (6)選用了三種熱塑性聚合物為基體，采用熱壓工藝制備了三個(gè)體系的PZT/聚合物壓電復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：聚合物基體對(duì)復(fù)合材料的壓電、介電、鐵一電、聲學(xué)性能有較大的影響。PVDF體系復(fù)合材料的介電常數(shù)優(yōu)于其他兩個(gè)體系，介電損耗略高于其他兩個(gè)體系。鐵電測(cè)試表明，PVDF體系的矯頑場(chǎng)較低，陶瓷容易極化。首次以納米晶聚氯乙烯(PVC)為基體制備的壓電復(fù)

6、合材料的g33高于PVDF體系。比較三種體系，發(fā)現(xiàn)0.5PZT/0.5PVC復(fù)合材料綜合性能最好(d33=15pC/N，g33=42.6mV·m·N-1，Kp=0.226，Z=11.25×106kg·s-1·m-2)，良好的柔順性和機(jī)械加工性。 (7)成型溫度影響了0.5PZT/0.5PVC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能。研究表明成型溫度為150℃時(shí)，復(fù)合材料0.5PZT/0.5PVC具有最佳的綜合性能：ε=45.66，tgδ=0.0286

7、，D33=18.5pC/N，g33=45.78mV·m·N-1，Kp=0.217，Qm=32.31，d33·g33=0.85×10-15Pa-1，Z=11.25×106kg·s-1·m-2。 (8)偶聯(lián)劑的種類(lèi)和含量對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能影響很大。研究表明，硅烷偶聯(lián)劑KH550雖然提高了兩相的結(jié)合，但大幅度降低了復(fù)合材料的電性能。與鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-101和硅烷偶聯(lián)劑KH550相比，L系列鋁酸酯偶聯(lián)劑既能改善界面狀態(tài)，提高復(fù)合

8、材料致密性，又能提高復(fù)合材料壓電性能。當(dāng)鋁酸酯偶聯(lián)劑含量為0.5wt﹪時(shí)，復(fù)合材料綜合性能最好。 (9)采用原位聚合法制備了PVC/PAn復(fù)合材料，用熱壓工藝制備了0.5PZT/fPAn/(0.5-f)PVC三相復(fù)合材料。原位法制備的PAn/PVC復(fù)合材料，電導(dǎo)率高于共混制備的復(fù)合材料。少量PAn摻雜提高了復(fù)合材料的極化，從而提高復(fù)合材料的壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm下降，并在6﹪時(shí)出現(xiàn)極值。 (10)用熱壓

9、工藝制備了0.5PZT/fC/(0.5-f)PVC三相復(fù)合材料。電滯回線(xiàn)研究表明加入0.5﹪的導(dǎo)電炭黑后復(fù)合材料的Pr提高、Ec降低，提高了復(fù)合材料的極化、壓電性能和壓電優(yōu)值(d33g33)。該體系的最佳壓電性能為：d33=24.5pC/N，g33=55.8mV·m·N-1，Kp=0.249，Kt=0.245，Qm=19.66，Z=11.71×106kg·s-1·m-2，d33·g33=1.37×10-15Pa-1。這是由于0.5PZT