压电陶瓷聚合物复合材料薄膜的极化与性能研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要O．3型压电陶瓷／聚合物复合材料薄膜广泛应用于传感器、超声医学成像仪、水声换能器、微机电系统和结构健康监控系统等领域。然而，由于聚合物具有较低的极化性能，0-3型压电复合材料薄膜的极化比较困难，因而不易得到压电性能优异的体系。提高O．3型压电复合材料薄膜极化性能的有效途径之一就是提高聚合物基体的介电常数和电导率。本论文选择石墨和聚苯胺(PANI)作为改性剂添加到0-3型PZT／聚合物复合材料中，运用热压和涂覆工艺制备了压电薄膜。研究了石墨和PANI对o．3型压龟复合材料薄膜的结构、极化和电学性能的影

2、响以及复合材料组成、结构、性能之间的关系。石墨对0-3型PZT／PVDF压电复合材料薄膜的相态和微观结构影响不大，石墨与聚合物基体存在较明显的相分离。适当含量的石墨可以迅速提高聚合物基体的介电常数，PZT／PVDF压电薄膜的极化性能迅速上升：当石墨体积含量为O．8％时，压电薄膜极化样品的XRD图谱中(002)衍射峰的相对强度和P．E曲线上表现的剩余极化达到最高。随着石墨含量的增大，改性O．3型PZT／PVDF薄膜的介电常数、介电损耗迅速升高。对PZT体积含量为50％的压电薄膜，其压电应变系数、平面机电耦合系数随石墨含量的增大而

3、上升，而机械品质因数下降。石墨含量约为O．8％时，由于复合材料的极化性能最佳，三者达到极值。与未改性样品相比，0．8％石墨改性的压电薄膜的压电系数增大了近50％。PANI能够影响O-3型PZT／PVDF压电复合材料薄膜的相态和微观结构，一定用量"PANI的加入可以提高PVDF基体的结晶程度，PANI与PVDF的界面状态优于石墨改性的PVDF基体。适量PANI的加入可以迅速增大聚合物基体的介电常数，从而提高改性压电薄膜的极化能力。当PANI体积含量为5％时，压电薄膜极化样品XRD谱的(002)衍射峰相对强度和材料的剩余极化达到最

4、高。随着PANI含量的增大，改性O．3型PZT／PVDF薄膜的介电常数、介电损耗迅速上升。对PZT体积含量为50％的压电薄膜，其压电应变系数、平面机电耦合系数随PANI含量的增大而上升，而机械品质因数下降。PANI含量约为4-5％时，由于复合材料的极化性能最佳，三者达到极值。与未改性样品相比，5％PANI改性的压电薄膜的压电系数增大了近80％。PANI原位聚合改性的聚氨酯(PU)薄膜以及PANI改性O一3型PZT／PU压电复合材料薄膜的结构均匀、界面结合良好，其介电常数随PANI含量的增加迅速升高，从而增大了改性压电薄膜的极化

5、能力。改性压电薄膜极化样武汉理丁大学博+学位论文品XRD谱的(002)衍射峰相对强度和材料的剩余极化在PANI用量为4％时达到最高。随着PANI含量的增大，改性0．3型PZT／PU薄膜的介电常数、介电损耗迅速上升。对PZT体积含量为50％的压电薄膜，其压电应变系数、平面机电耦合系数随PANI含量的增大而上升，而机械品质因数下降。PANI含量约为34％时，由于复合材料的极化性能最佳，三者达到极值。对三种改性O一3型压电薄膜的结构和性能之间关系的分析得出，相对于改性压电复合材料基体的极化性能，界面状态对压电复合材料薄膜极化的贡献不

6、大，改性压电复合材料薄膜的极化性能主要由聚合物的电学性能决定。关键词：压电复合材料薄膜；石墨；聚苯胺：原位聚合；极化；介电性能压电性能武汉理工大学博士学位论文Abstract0-3piezoelectricceramic／polymercompositefilmshavebeenwidelyusedintransducer,ultrasonicmedicalimaging，hydroacoustictransducers，microelectromechanicalsystems(MEMS)，structuralhealthm

7、onitoringsystem(SHMS)，etc．．However,itisdifficulttopolethe0-3piezoelectricceramic／polymercompositefilmsduetolowerdielectricconstantofthepolymermatrix．Asaresultthecompositesystemwithexcellentpiezoelectricpropertiescannotbeeasilyobtained．Oneoftheeffectivewaystoincr．eas

8、einthepolarizationpropertiesof0-3piezoelectriccompositefilmsistoenhancethedielectricconstantandconductivityinthepolymermatrix．Inthisarticl