PZT壓電陶瓷纖維連續(xù)紡絲及其在1-3型壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)用.pdf

1、本論文采用溶膠-凝膠法和連續(xù)紡絲技術(shù)制備PZT壓電陶瓷纖維，系統(tǒng)研究PZT纖維的結(jié)構(gòu)和性能；采用排列-澆注法制備1-3型壓電纖維復(fù)合材料，從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行分析研究；最后從器件原型角度，研究叉指型壓電纖維復(fù)合材料的傳感性能和正交異性特性。 以三水乙酸鉛、丁醇鋯和丁醇鈦為原料，正丁醇為溶劑，乙酰丙酮為穩(wěn)定劑，采用獨(dú)立前驅(qū)體法制備可紡性良好的PZT溶膠，研究PZT溶膠的生成機(jī)理，分析溶劑、加水量、穩(wěn)定劑和絡(luò)合劑等因素

2、對(duì)溶膠體系的影響，討論添加紡絲助劑PVP對(duì)紡絲成型和纖維結(jié)構(gòu)的影響；PZT凝膠纖維在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾衫w維，XRD結(jié)果顯示PZT在650℃保溫1h時(shí)形成單一的鈣鈦礦相，經(jīng)1000℃保溫1h燒結(jié)后轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電四方相；SEM形貌觀察到PZT陶瓷纖維表面平整，結(jié)構(gòu)致密，直徑小于50μm；EDS成分分析表明PZT陶瓷纖維成分基本保持Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的化學(xué)計(jì)量比；PZT陶瓷纖維具有明顯的鐵電性能，燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)

3、，其剩余極化強(qiáng)度Pr為20.9μC/cm2，矯頑電場(chǎng)Ec為10.2kV/cm。 采用與PZT陶瓷纖維同源的溶膠-凝膠法制備PZT陶瓷塊體，對(duì)不同熱處理溫度下PZT陶瓷塊體的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)1240℃燒結(jié)保溫2h時(shí)PZT陶瓷具有最大致密度(7730kg/ms)和最佳的介電、壓電和鐵電性能，其在1kHz下的介電常數(shù)ε和介電損耗tanδ分別為1175和0.004，壓電常數(shù)d33為285μC/N，剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑電場(chǎng)Ec分

4、別為25.2μC/cm2和13.5 kV/cm。從極化原理出發(fā)，對(duì)PZT陶瓷的極化條件進(jìn)行研究，確定最佳極化條件，并對(duì)陶瓷極化前后介電常數(shù)和介電損耗的變化進(jìn)行分析討論。 以環(huán)氧樹(shù)脂為基體相，PZT陶瓷纖維為壓電相制備1-3型圓柱形壓電纖維復(fù)合材料和叉指電極壓電纖維復(fù)合材料。圓柱形壓電纖維復(fù)合材料的介電、壓電和鐵電性能均隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。采用光刻法制備壓電復(fù)合材料叉指電極，叉指型復(fù)合材料具有薄片化外型和良好撓曲性。利用有

5、限元分析方法對(duì)叉指型壓電纖維復(fù)合材料的靜電場(chǎng)大小及其分布進(jìn)行研究。采用簡(jiǎn)化模型對(duì)叉指型壓電纖維復(fù)合材料的鐵電性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，其剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑電場(chǎng)Ec均比相同纖維含量的圓柱形復(fù)合材料的值要小。 從器件原型出發(fā)，研究叉指型壓電纖維復(fù)合材料的傳感性能，采用一端固定另一端自由的棒的彎曲振動(dòng)模型，驗(yàn)證材料彎曲振動(dòng)模式的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)的固有頻率為材料的彎曲諧振頻率。復(fù)合材料在簡(jiǎn)諧激振下有明顯的周期性電壓輸出。叉指型