13型pzt5epoxy+resin压电复合材料的制备、结构与性能研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要1．3型压电陶瓷／聚合物复台材料兼具压电陶瓷的压电活性和聚合物的柔韧性。与单相压电材料及压电聚合物相比，具有较高的压电成变常数和厚度机电耦合系数、低的机械品质因数和声阻抗，适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲的换能器，是医疗超声、无损探伤和水听器的理想材料。本文在分祈1．3型压电复合材料研究现状的基础上，针对其在医疗超声换能器上的应用，采用塑性聚合物方法、排列．浇铸法，系统遍研究了成型工艺、极化参数、压毫陶瓷体积含量及纵横比等因素对l。3挺压电复合材料的压电、分电、铁电性能和声阻抗的影响，并基于复合理论，研究了材料的相关规律，得

2、到了实验与理论相吻合的研究结果，为这类材料的应用和开发提供了重要的理论依据。具体工作及结论如下：(1)采用塑性聚合物方法分别制备了截面为圆形和方形的PZT5陶瓷纤维，分析了泥料中有机物含量、烧成条件对纤维结构与性能的影响。结果表明，最优化泥料配方为PZT5：PVA秸台剂：丙三醇=30：4：l(Ⅲ％)，最佳烧成温度为1280℃，保温时间为4h。PZT5陶瓷纤维结构致密，晶粒大小均匀，约2～5lain。(2)．圆柱形PZT5绥维灼吸水率致、显气孔率％和体积密度m分别为0+45％、0．44％和7．89g／cm3。抗拉伸强度U+T．S．可达24．88MPa。

3、剩余极化B与矫顽场B分别为41。40i．tC／cm2和】-10kV／mm。方形PZT5纤维的体积密度P。、抗拉伸强度u．T．S．、剩余极化B和矫顽场臣分别为7．91g／cm3、23．97MPa、41．68ItC／cm2和1．10kV，mm。(3)环氧树脂的固化工艺表明，采朔顺丁烯二酸酐为固化剂时可获褥结构致密、凡乎无气我的环氧橱脂。1kHz下，环氧树脂盼推对介电常数s。和介电损耗tan,；分别为3181和3％，盟在o~10MHz范围内变化不大。极化工艺对1．3缴压电复合材料的性能有较大的影响，最健极化工艺参数为极化时间30min，极化温度100℃，极

4、化电压2．5kV／mm左右。采用排列．浇铸法可实现PZT5纤维的非周期性分布排列。(4)陶瓷体积含量庐对1．3型压电复合材料的性能有较大影响，性能的变化规律可以归纳为：随着陶瓷稠含量≯的增加，1．3型压电复合材料的介电常数占7几乎线性增加；剩余极化强度P，显著增大，当痧为85％时，剩余极化强度n高达31．88f_tC／em2；压电应变常数如随蓑庐的增加丽增大，其压电电压系数g，，比PZT5陶瓷大，隧≯的增加髓减小：径囱机电耦合系数】j}。比PZT5武汉理工大学博士学位论文陶瓷的讳小，且t>k。；机械品质因数Q远远小于PZT5纯陶瓷：声阻抗z随≯增大而

5、增大，且均小于PZT5陶瓷。且各项性能随体积含量谚的变化趋势与复合理论的结果相吻合，可以用复合理论设计宽频、大各向异性、高机电转换效率的1—3型压电复合材料。(5)陶瓷纤维纵横比t，d对1．3型压电复合材料的各项性能均有影响。其介电、铁电、压电性能随纵横比的变化关系表明：随t／d的增加，介电常数s’和介电损耗tan8均减小。压电应变常数d。和压电电压系数g。均随着纵横比们的增加而增大，且g。比PZT5陶瓷大。其串并联谐振频率‘、后随厚度t的增加而降低。径向机电耦合系数k。小于30％，厚度机电耦合系数k，均大于单相PZT5陶瓷(矗为50％)，各向异性．

6、i}，／k。均在1以上，且随PZT5纤维纵横比的增大而减小。随PZT5纤维纵横比t／d的减小，机械品质因数Q。减小，而频率常数Ⅳ，和声阻抗z增大。进而说明在较适中的纵横比下，可以有效的抑制径向模与横向结构模，获得单纯的厚度谐振模式。关键词：1．3型PZT5／epoxyresin压电复合材料；换能器；压电性能；铁电性能；介电性能II武汉理工大学博士学位论文ABSTRACT1-3piezoelectriccompositescombinehighpiezoelectricpropertiesofpiezoelectricceramicandflexibi

7、lityofpolymer．Comparedwithpureceramicorpiezoelectricpolymer,1—3piezoelectriccompositeshavemoremarits，suchashigherpiezoelectricconatant，largermechanical-electronicalcouplingcoefficient，lowermechanicalquanityfactorandsmalleracousticimpedance．Theyaresuitablefortransducerswithhighs

8、enesitivity，widebendandnarrowpulse，whichhavebeenwidely