pzt聚合物基压电复合材料结构与性能研究

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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(Pz．I伸Vc)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

2、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各的复合材料界面粘结最好，热压机成型工艺次之，冷压机成型工艺晟差。其串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奉垂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30rain，极化温度为80—100℃，极化电压为lO～15kWmm。<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。当陶瓷含量到鼬％以后，0-3(1．3)混合

3、连通形式的形成引起复合材料裁余极化强度的增大、矫顽场降低。同时，也造成复合材料密度p、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如、介电常数￡、机电耦合系数耳和五等增大，声阻抗和机械品质因素龟k降低，压电电场常数毋j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(只增高，矫顽场(&)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

4、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摹体，采用热压工艺制备了三个体系的PZT／武汉理工大学博七学位论文聚合物压电复合材料。研究结果表明：聚合物基体对复合材料的压电、介电、铁电、声学性能有较大的影响。PVDF体系复合材料的介电常数优于其他两个体系，介电损耗略高于其他两个体系。铁电测试表明，PVDF体系的矫顽场较低，陶瓷容易极化。首次以纳米晶聚氯乙烯(PVC)为基体制备的压电复合材料的鼬j高于PVDF体系。比较三种体系，发现O．5PZT／0．5PVC复合材料综合性能最好(d33=15p

5、C／N，譬j3=42．6mV·m·N～，局=0．226，Z=11．25x106kg-s～·rn。)。良好的柔顺性和机械加工性。(7)成型温度影响了0．5PZT／0．5PVC复合材料结构和性能。研究表明成型温度为150℃时，复合材料O．5PZT／0．5PVC具有最佳的综合性能：s．=45．66，电巧=O．0286，西?=18．5pC／N，93s-----45．78mV’m。N一，岛=O．217，Qm=32．31，勃-933=O．85×10—15Pa～，Z=11．25x106kg·s～·ITI～。(8)偶联剂的种类和含量对复合材料的结构和性能影响很大。研究表明，硅烷偶联

6、剂KH550虽然提高了两相的结合，但大幅度降低了复合材料的电性能。与钛酸酯偶联剂NDZ-101和硅烷偶联剂KH550相比，L系列铝酸酯偶联剂既能改善界面状态，提高复合材料致密性，又能提高复合材料压电性能。当铝酸酯偶联剂含量为0．5w慌时，复合材料综合性能最好。(9)采用原位聚合法制备了PVC／PAn复合材料，用热压工艺制备了0．5PZTl归hre(0．5—7，PVC三相复合材料。原位法制备的PAn／PVC复合材料，电导率高于共混制备的复合材料。少量PAn掺杂提高了复合材料的极化，从而提高复合材料的压电系数和机电耦合系数，机械品质因数Q。下降，并在6％时出现极值。(1

7、0)用热压工艺制备了O．5PZT／fC／佃．5胡PVC三相复合材料。电滞回线研究表明加入O．5％的导电炭黑后复合材料的只提高、艮降低．提高了复合材料的极化、压电性能和压电优值(d33933)。该体系的最佳压电性能为：d33=24．5pC／N，毋3=55．8mV’m’N～，巧=O．249，蜀----0．245，旦k=19．66，z=11．71×10。kg‘S～‘m一。西3·毋产1．37×10-15Pa～。这是由于O．5PZT／jc／似5-)PVC三相复合材料类似于导电炭黑分散在体积含量为50％的PZT／PVC基体中，形成了0-(1．3)混合连通形式，介电常数发生了