探析锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征

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1、北京化工大学硕士学位论文锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征姓名：甄宜战申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：刘晓林20090527摘要锆钛酸铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征压电材料是指由于静压力变化或温度改变而产生相应感应电荷变化的材料。这种材料能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性，是智能材料系统中的主导材料。近几十年来，随着压电器件应用领域的不断扩大，对其性能也提出了一些新的要求，其中1．3型压电复合材料采用纤维形压电相和有机材料复合，这不

2、仅使材料具有良好的柔顺性和机械加工性能，而且也使其具有各向异性的驱动性能。因此在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。压电陶瓷纤维是1．3型压电复合材料中最为重要的一个组成部分，其制备与性能研究也引起了越来越多的关注。目前，主要的压电纤维制备方法是溶胶．凝胶法(s01．gel)、粘塑性加工工艺(VPP)、粘胶纺丝法(VSSP)。但是溶胶凝胶方法制备陶瓷纤维，虽然具有许多优点，但凝胶的低固含量通常导致陶瓷纤维的致密性差，这将会使纤维变得更脆而失去一些优良的性质；传统挤压法工艺较为简单，但未经热处理的纤维

3、中有机成分含量较高，在烧结过程中体积收缩较大，有机物分解导致纤维的气孔率高，得到的纤维往往强度低、密度小；VSSP工艺过程技术成熟，可制备出致密的陶瓷纤维，另外，纤维素来自自然界，储量巨大，因此适用于工业化生产，具有广阔的应用前景。本论文采用VSSP来制备压电陶瓷纤维。实验中，通过粒度测试、沉降试验、对悬浮液的Zeta电位和流变学参数的测试分析，制得具有高体积分数和良好的流变学性质的PZT悬浮北京化工人学硕．}学位论文液。其中，分散剂TAC以静电稳定机理影响PZT悬浮液的稳定，在碱性条件pH=10时

4、，TAC的含量为1．5wt％时能获得高分散性、高稳定性、流动性好的PZT水基悬浮液PZT的最大固含量为50vol一55v01％。以超细PZT陶瓷粉为原料，采用VSSP工艺制备PZT压电陶瓷纤维。分析了纤维生坯中有机物含量、烧结条件对纤维结构与性能的影响。研究了烧结温度对PZT陶瓷纤维的显微结构影响，揭示PZT陶瓷纤维的合适烧结温度为1280℃，保温2h。SEM分析结果表明：采用VSSP法制备的纤维大小均匀、结构致密、具有高长径比。该陶瓷纤维呈圆柱状，直径约2509m，可连续制备。最后以PZT压电纤维

5、为压电相，环氧树脂为基体相制备1．3型压电纤维复合材料。分析表明所制备的1．3型压电复合材料具有良好的柔韧性，与本体材料也能很好的相容。实验结果也说明：采用VSSP法制备的PZT压电陶瓷纤维完全符合制备1．3型压电纤维复合材料的要求。关键词：锆钛酸铅，粘胶纺丝法，压电纤维，1．3型PZT／环氧树脂压电复合材料IIABSTRACTPRAPARATIoNANDSTUDYoNTHEPERFoRMANCEoFPIEZoLECTRICPZTCERAMICFlBERSPiezoelectricityisaphe

6、nomenonwhenamechanicalstressisappliedtosomepiezoelectricmaterial；electricalchargesappearbetweenitstwooppositesides．Conversely，ifanelectricalfieldisappliedtothismaterial，itwillgeneratemechanicalstrain．Also，formaterialshowingpyroelectricproperties，electr

7、icchargeswillappearundertheeffectoftemperature．Accordingtotheseproperties，piezoelectricceramicshavebeenusedassensorandactuatormaterialsinmanypracticalfields，especiallyinsmartmaterialandstructuresystems，becausetheyhavetheabilitytotransformenergyfromelec

8、tricaltomechanicalandviceversa．Astheapplicationfieldsofpiezoelectricceramicsalecontinuouslyexpanding，thesedevicesarerequiredtobevariable，bothintermsoftheirfunctionalityandtheirshape．The1-3connectivitypiezoelectricceramicfiber-polymercom