（材料物理与化学专业论文）132型压电复合材料的制备及其性能研究.pdf

f a b r i c a t i o na n dp r o p e i u ? i e so f1 3 2 p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s b y l i a o s h u a n g s h u a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f c h e n gx i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 7 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：细 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：触导师签名：j 畔日期：酬 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 压电材料2 1 3 压电复合材料的定义和分类4 1 4 压电复合材料的研究进展。4 1 51 - 3 2 型压电复合材料的研究概况及发展趋势5 1 6 本论文的主要研究内容一6 第二章1 3 2 型压电复合材料的制备及性能测试9 2 1 仪器设备9 2 2 原材料9 2 31 3 2 型压电复合材料的制备9 2 4l 一3 2 型压电复合材料的性能测试1 1 2 4 1 压电性能1 1 2 4 2 介电性能1 2 2 4 3 机电耦合性能1 3 2 2 4 机械品质因数1 4 2 4 5 声阻抗性能1 4 第三章陶瓷体积分数对1 - 3 - 2 型压电复合材料性能的影响1 5 3 1 试验过程1 5 3 2 结果与分析1 5 3 2 1 陶瓷体积分数对复合材料压电性能的影响1 5 3 2 2 陶瓷体积分数对复合材料介电性能的影响1 7 3 2 3 陶瓷体积分数对复合材料机电性能的影响1 8 3 2 4 陶瓷体积分数对复合材料声阻抗的影响2 0 l 1 - 3 2 型j l i 咆复合材 ： 的制得及其性能研究 3 3 小结：一2 1 第四章基底厚度对1 3 2 型压电复合材料性能的影响2 3 4 1 试验过程2 3 4 2 结果与分析2 3 4 2 1 基底厚度对复合材料压电性能的影响2 3 4 2 2 基底厚度对复合材料介电性能的影响2 4 4 2 3 基底厚度对复合材料机电性能的影响2 5 4 2 4 基底厚度对复合材料声阻抗的影响2 7 4 3 小结2 7 第五章柱高对1 - 3 - 2 型压电复合材料性能的影响2 9 5 1 试验过程2 9 5 2 结果与分析2 9 5 2 1 柱高对复合材料压电性能的影响2 9 5 2 2 柱高对复合材料介电性能的影响3 0 5 2 3 复合材料的介电频率特性3 1 5 2 4 柱高对复合材料机电性能的影响3 2 5 2 5 柱高对复合材料声阻抗的影响。3 5 5 3 小结3 6 第六章基体对1 3 2 型压电复合材料性能的影响3 7 6 1 试验过程3 7 6 2 结果与分析3 9 6 2 1 基体对复合材料压电性能的影响3 9 6 2 2 阻抗频率特性4 0 6 2 3 基体对复合材料介电常数和介电损耗的影响4 2 6 2 4 介电一频率特性4 3 6 2 5 基体对复合材料机电性能的影响4 5 6 2 6 基体对复合材料声阻抗的影响4 6 6 3 小结4 6 u 济雨大雩硕士罕位论文 第七章陶瓷柱的切割方向对1 3 2 型复合材料性能的影响4 9 7 1 试验过程4 9 7 2 结果与分析4 9 7 2 1 陶瓷柱切割方向对复合材料压电及介电性能的影响4 9 7 2 2 陶瓷柱切割方向对复合材料机电性能的影响5 0 7 2 3 陶瓷柱切割方向对复合材料声阻抗性能的影响5 2 7 3 小结5 2 第八章结论与展望5 3 8 1 结论5 3 8 2 展望5 4 参考文献5 5 致 谢5 9 ” 附勇乏6 1 i i i 济南大学硕士学位论文 摘要 1 3 2 型压电复合材料是1 3 型压电复合材料的一种特殊形式，它是具有并联1 3 型和串联2 2 型复合材料的结构特点的新型压电复合材料。它由上电极、1 3 型压电 复合材料、基板及下电极组成，这种结构的复合材料在三维空间均有陶瓷骨架支撑， 使得其结构较1 3 型压电复合材料稳定，它除了具有1 3 型压电复合材料的优点外， 还比1 3 型压电复合材料的性能更稳定，且其制作工艺简单。为了更好地应用这种材 料，同时为了促进压电复合材料的发展，本文研究了压电陶瓷体积分数、形状参数( 基 底厚度及柱高) 等因素对1 3 2 型压电复合材料性能的影响。 本文在分析1 3 。2 型压电复合材料研究现状的基础上，以铌镁锆钛酸铅 ( p ( m n ) 】z t ) 压电陶瓷为功能体，以环氧树脂、硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、高 铝水泥、高温胶为基体，采用切割一浇注法制备了1 3 2 型压电复合材料，分别研究了 压电陶瓷体积分数、基底厚度、柱高、基体及陶瓷柱的切割方向对1 3 2 型压电复合 材料的压电、介电、机电及声阻抗性能的影响规律。具体的结论如下： 研究了陶瓷体积分数对1 3 2 型压电复合材料压电性能、介电性能、机电性能及 声阻抗的影响。结果表明：随着 p ( m n ) z t 体积分数的增大，复合材料的压电应变常 数以3 、相对介电常数爵和声阻抗z 均增大；而压电电压常数9 3 3 及介电损耗t a 】面则 呈下降趋势；与 p ( m n ) z t 陶瓷相比，复合材料的厚度谐振明显增强，机械品质因数 q m 显著降低；复合材料的平面机电耦合系数砗均小于 p ( m n ) 】z t 的局，而厚度机电 耦合系数墨均比 p ( m n ) z t 的k 大。随着 p ( m n ) z t 体积分数的增加，复合材料的 局表现出一个减小的趋势，而复合材料的墨则增大。 研究了基底厚度对1 3 2 型压电复合材料压电性能、介电性能、机电性能及声阻 抗的影响。结果表明：随着基底厚度的增加，复合材料的1 3 3 逐渐增大，船3 则呈现出 下降的趋势；复合材料的相对介电常数岛总体上呈增大的趋势，基底为0 5m r i l 时岛 最小为1 4 0 6 ，但介电损耗则是减小的，当基底为3m m 时介电损耗最小为0 2 5 1 ；平 面机电耦合系数琊逐渐减小，厚度机电耦合系数墨逐渐增大；当基底为2 0m l t l 时， q m 值最小为1 4 9 。复合材料的声阻抗呈逐渐增大的趋势，基底厚度为0 5n l l t l 的复合 材料的声阻抗最小为1 4 1 2m r a y l 。 研究了陶瓷柱高度对1 3 - 2 型压电复合材料压电性能、介电性能、机电性能及声 v i - 3 2 型j k 咆复含材科的制备及 c 性能研多e 阻抗的影响。结果表明：随着复合材料柱高的增加，复合材料的压电应变磊3 、压电 电压常数9 3 3 及介电损耗t a 耐逐步增大，复合材料的相对介电常数岛在柱高从1 0m i l l 至5 0 蛐的区间增长比较缓慢，当柱高超过5 0m m 时增加得较快；复合材料的相对 介电常数谐振峰向频率降低的方向移动；复合材料的局在4 0 - 4 5 之间波动，而k 则整体上是逐渐增大的趋势，复合材料的q m 在1 4 0 2 7 0 之间波动；复合材料的声阻 抗在1 2 5 0 1 3 2 0m r a y l 之间波动。 研究了基体对1 3 2 型压电复合材料压电性能、介电性能、机电性能及声阻抗的 影响。结果表明：基体对复合材料的性能有一定的影响。以普通硅酸盐水泥为基体的 复合材料的西3 最大，其r 和t a n , 多较高，其凰最小，而k 最大，以环氧树脂为基体 的复合材料的9 3 3 最大；以高温胶为基体的复合材料具有较小的鳊；以水泥为基体的 复合材料的声阻抗比较小。 研究了陶瓷柱切割方向对1 3 2 型压电复合材料压电、介电、机电及声阻抗性能 的影响。结果表明：在陶瓷体积含量几乎相同的情况下，切割方向为4 5 0 的复合材料 具有更好的压电性能，同时具有较小的s r 和t 锄万。和 p ( m n ) z t 陶瓷相比，两种复合 材料的阻抗特性曲线上主要了出现平面谐振和厚度谐振，这两个谐振峰之间有明显的 距离，减少了平面谐振对厚度谐振的干扰。两种复合材料的岛都小于墨，相同， 而k 和q m 则是4 5 。切割方向的复合材料稍大一些。两种复合材料的声阻抗较 p ( m n ) i z t 陶瓷的声阻抗都有大幅度的降低，4 5 0 切割方向的复合材料具有较小的声 阻抗。 关键词：1 3 2 型压电复合材料；基底厚度；压电性能；机电性能；声阻抗 v i 济南大学硕士学位论文 a bs t r a c t 1 - 3 - 2p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ei sas p e c i a lt y p eo f1 - 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ，w h i c h c o m b i n e st h es t r u c t u r eo fb o t hp a r a l l e l1 - 3c o n n e c t i v i t ya n ds e r i e s2 - 2c o n n e c t i v i t y c o m p o s i t e s i ti sc o m p o s e do fu p p e re l e c t r o d e ，1 - 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ，b a s ep l a t ea n d b o t t o me l e c t r o d e t h i ss t r u c t u r em a k e si tb es u p p o r t e db yc e r a m i cf r a m e w o r ki nt h r e e d i m e n s i o n s ，w h i c hl e a d st oas t e a d yf a b r i cc o m p a r i n gw i t h1 - 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e m a t e r i a l m e a n w h i l e ，1 - 3 2c o m p o s i t en o to n l yh a st h em e r i t so f1 - 3c o m p o s i t e ，b u ta l s o h a sm o r es t e a d yp r o p e r t i e s ，a n dam o r es i m p l ef a b r i c a t i o nc r a f t i no r d e rt oe x t e n d i n gt h e a p p l i c a t i o no fl - 3 - 2p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ，a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fp i e z o e l e c t i c c o m p o s i t em a t e r i a l ，i t sv e r yi m p o r t a n tt oe x p l o r ea n dr e s e a r c h t h i sc o m p o s i t e i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fi - 3 2p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw a sd i s c u s s e d 1 - 3 2 p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yd i c ea n df i l l i n gt e c h n i q u e t h ei n f l u e n c e so f 【p ( m n ) z tv o l u m ef r a c t i o n ，b a s et h i c k n e s s ， p ( m n ) z tc e r a m i cp o l eh i g h n e s s ，d i f f e r e n t m a t r i x e sa n dd i f f e r e n tc e r a m i cc u r i n gd i r e c t i o no np i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s ，e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da c o u s t i ci m p e d a n c ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s w e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c e so f p ( m n ) z tv o l u m ef r a c t i o no nt h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s ，t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da c o u s t i ci m p e d a n c eo fc o m p o s i t e sw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h e p ( m n ) z tv o l u m ef r a c t i o n i n c r e a s e s ，t h e p i e z o e l e c t r i cs t a i nf a c t o r 以3 ，t h er e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n te ra n da c o u s t i ci m p e d a n c ez i n c r e a s ee v i d e n t l y , w h i l et h ep i e z o e l e c t r i cv o l t a g ef a c t o r9 3 3a n dt h ed i e l e c t r i cl o s st a n g d e c r e a s e t h et h i c k n e s sm o d eo fc o m p o s i t e si ss t r e n g t h e n e d ，a n dt h em e c h a n i c a lq u a l i t y f a c t o rq ma r er e d u c e d m e a n w h i l e ，t h et h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n tk t o ft h ec o m p o s i t ei n c r e a s ec o m p a r i n gw i t ht h e p ( m n ) z tc e r a m i c t h ei n f l u e n c e so fb a s et h i c k n e s so i lp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n d e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，a st h e b a s et h i c k n e s si n c r e a s e s ，t h ep i e z o e l e c t r i cs t a i nf a c t o r 西3i n c r e a s e sg r a d u a l l y , w h i l et h e p i e z o e l e c t r i cv o l t a g ef a c t o r9 3 3d e c r e a s e s t h er e l a t i v ed i e l e c t r i cf a c t o re ri n c r e a s e s ，ri st h e v i l 1 3 2 型压电复合材科的制备及其性能研究 m i n i m u m ( 14 0 6 ) w h e n b a s et h i c k n e s si s0 5 0m m w h i l et h ed i e l e c t r i cl o s st a 面d e c r e a s e s ， a n dt h et 锄万r e a c h e st h em i n i m u mv a l u eo f0 2 51w h e nb a s et h i c k n e s si s3 0 0m 1 1 t h e p l a n a re l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t 岛e x h i b i t st h et r e n do fd e c r e a s e , w h i l et h e t h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t 墨a n da c o u s t i ci m p e d a n c es h o wt h e i n c r e a s i n gt r e n d t h em e c h a n i c a lq u a l i t yf a c t o rq 矗r e a c h e st h em i n i n l u mv a l u eo f1 4 9 w h e nb a s et h i c k n e s si s2 0n l n l t h ei n f l u e n c e so f 【p ( m n ) z tc e r a m i cp o l eh i g h n e s so n p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ， d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n de l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，w i t hi n c r e a s i n g p ( m n ) z tp o l eh i g h n e s s ，p i e z o e l e c t r i cs t a i nf a c t o rd 3 3 a n dp i e z o e l e c t r i cv o l t a g ef a c t o r9 3 3i n c r e a s e d i e l e c t r i cc o n s t a n te ra n dd i e l e c t r i cl o s st a n 8 a l li n c r e a s e t h er e s o n a n c ef r e q u e n c yo fd i e l e c t r i cc o n s t a n tb e c o m e sd i m i n u t i o n t h ev a l u e o fp l a n n a re l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t 峰i sb e t w e e n4 0 a n d4 5 ，t h i c k n e s s e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n tk ti n c r e a s e s ，a c o u s t i ci m p e d a n c ezi sb e t w e e n 1 2 5 0m r a y la n d1 3 2 0mr a y t h eq mi sb e t w e e n1 4 0a n d2 7 0 t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tm a t r i x e so np i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n d e l e c t r o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , d i f f e r e n tm a t r i x e sh a v eo b v i o u se f f e c to nt h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e t h ed 3 3 ，e r , t 锄6 a n dk to fp o r t l a n dc e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ea r eh i g h e rt h a nt h o s eo fo t h e r c o m p o s i t e s p o l y m e r - b a s e dc o m p o s i t eh a sas m a l l e r9 3 3c o m p a r i n go t h e rc o m p o s i t e s h i g h - t e m p e r a t u r eg e l - b a s e dc o m p o s i t eh a sas m a l l e rq m c e m e n th a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e a c o u s t i ci m p e d a n c ez t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc e r a m i cc u t t i n gd i r e c t i o n ( 4 5 。a n d9 0 。) o np i e z o e l e c t r t r c p r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n de l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r e r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p o s i t ew h o s ec u t t i n gd i r e c t i o ni s4 5 0h a sg o o d p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s a tt h es a m et i m e , i ts h o w sl o w e re ra n dt 锄6 c o m p a r i n gw i t h p ( m n ) z tc e r a m i c ，t h et w os t y p ec o m p o s i t e so n l yh a v et h i c k n e s sv i b r a t i o na n dr a d i a l v i b r a t i o n ，a n dt h es p a c eo ft h e mi so b v i o u s ，w h i c hm a k e st h ei n t e r f e r e n c eo nt h i c k n e s s v i b r a t i o nb er e d u c e d 墨a n dq mo f4 5 。c u t t i n gc o m p o s i t ei sl a r g e rt h a nt h a to ft h eo t h e r c o m p o s i t e i ta l s oh a sas m a l l e ra c o u s t i ci m p e d a n c ez k e y w o r d s ：1 - 3 2p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e , b a s et h i c k n e s s ，p i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s ， v i i l 济南大学硕士学位论文 e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a c o u s t i ci m p e d a n c e i x 济南大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着材料科学的发展，各种新型的材料不断的涌现，材料的性能也得到了不同程 度的提高，智能材料结构就是一个典型的例子。智能材料结构主要由传感、驱动和控 制三部分组成【l j 。在实际应用中，智能材料结构是将驱动元件和传感元件紧密融合在 基体结构中，同时也将控制、逻辑和信号处理电路等集成在结构中，使其结构不仅具 有承受载荷的能力，而且还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，从而使结构本 身具有自诊断、自适应、自学习和自修复等能力【2 1 。目前，可作为智能材料系统中的 驱动材料主要有压电材料、形状记忆材料、电磁流变体和电致、磁致伸缩材料等；可 作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料。而在用于 制作传感器和驱动器的物理机理中，压电性被认为是最有效的机理之一，这使得具有 压电性的压电材料吸引了众多研究者的注意力。 压电材料是指具有压电效应的一类材料。所谓压电效应就是指晶体由于机械应力 的作用而使介质极化，并使其晶体表面荷电的现象。因为压电材料具有力电耦合的性 能，同时具有响应速度快、测量精度高、性能稳定、尺寸制作灵活等优点而成为智能 材料结构中广泛使用的传感材料和驱动材料，实现机械能和电能之间的转换，其研究 进展在智能材料结构的实用化进程中起着决定性的作用【3 1 。随着社会和科学的发展， 利用压电材料制作的器件在现代科学技术应用中的地位越来越重要。 在压电材料中压电陶瓷是最常见的一种。压电陶瓷作为一种精密驱动和传感器 件，因其具有压电性能好、机电耦合系数高等特点，其应用领域的不断扩大，但由于 压电陶瓷本身有不足之处，如声阻抗高，与空气和水不匹配，且密度大、易碎，加工 困难，用于水听器时，灵敏度不高1 4 ，于是人们开始向压电复合材料方面研究。压电 复合材料是指由至少一种压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一 起而构成的一种具有压电效应的新材料，它集中了各相材料的优点，互补了单相材料 的缺点。复合材料与压电陶瓷相比较具有更低的密度和声阻抗，从而使其与生物体、 非金属材料、水与气体介质有着更好的匹配特性；其鳊值比普通压电陶瓷低2 3 个 数量级，使其很适合制作宽带窄脉冲换能器；压电复合材料的介电常数远低于普通压 电陶瓷的介电常数，因而用其制作的传感器的输入阻抗较高，有较高的接收电压灵敏 l l - 3 2 翠压i u 复合材料的制备及其件能研冗 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼i _ 一； ； 一一一i 一； 一一i i i i i i i 曼曼曼曼曼罡皇 度，另外，低静电容使得充放电时间较短，传感器的首次波幅比较大；其平面机电耦 合系数要小于普通压电陶瓷的平面机电耦合系数，使能量更能集中于厚度模。同时， 利用陶瓷相分布的可控制性，可以进行压电复合材料非均匀、非周期性加权处理，控 制换能器的辐射波束、声场特性t 5 1 。如将压电陶瓷与聚合物或水泥复合，得到的压电 复合材料既具有良好的压电性能，又有与检测介质相匹配的声阻抗等特性【6 1 ，在土木 工程领域中压电复合材料不但与混凝土母体具有良好的相容性，而且还可大大提高压 电复合材料的传感精度及驱动力。可见压电复合材料在无损检测、水声换能、传感器 等方面有着更广泛的应用前景。因此，压电复合材料的研究与开发在推进各类土木工 程结构向智能化方向发展、声学、医疗和航天航空等领域都具有广泛的应用意义和学 术价值。 1 2 压电材料 1 8 8 0 年p i e r e c u r i e 和j a c q u e s c u r i e 兄弟发现，对抗石英单晶体在一些特定方向 上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象为压电效 应。当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所 加应力的大小成线性关系。这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。逆压 电效应就是当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变( 或谐振) 的现象【刀。 自从发现压电效应之后，压电材料的研究和开发就以极快的速度展开。压电材料是一 种重要的高新技术材料，它作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、 无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，世界各国都高度重视压电陶瓷材料 的研究和开发【8 】。应用较多的压电材料主要由压电陶瓷、压电聚合物及压电复合材料。 本节主要介绍压电陶瓷材料。 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中 发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。烧结出来的陶瓷体是多晶 体，其自发极化是紊乱取向的，主要成分是铁电体，因此称铁电陶瓷，没有压电性能。 对这样的陶瓷体施加强的直流电场进行极化处理，原来混乱取向的自发极化就沿电场 方向择优取向。去除电场后，陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化，遂使陶瓷体具有 了压电性能。 最初的压电陶瓷是具有钙钛矿晶体结构的钛酸钡( b a t i 0 3 ) 压电陶瓷，这种压电陶 瓷因其机电耦合系数大而被广泛应用。在许多科研工作者的研究下，发现了锆钛酸铅 2 济南大学硕士学位论文 ( p z t ) 陶瓷，和钛酸钡陶瓷相比，这种陶瓷的压电常数、介电常数和机电耦合系数更 大，居里温度更高等优点【9 1 。为了获得更好性能的压电陶瓷，人们开始研究掺杂改性， 同时也取得了良好的效果。研究表明，掺入微量杂质能够大大改变机电耦合系数、介 电常数s 、机械品质因素q m 等，可以满足不同应用对压电材料提出的性能要求。杜红 亮、杜景红等在p z t 基压电陶瓷中掺入m n 0 2 ，发现锰的掺量对压电陶瓷的机械品质 因数影响较大，q m 随着锰掺量的增加先增大后减小【l o - i i 。由于大部分的压电陶瓷都 是含铅的，而铅则是毒性很大的一种物质，会给人类和环境带来灾害，为了减少铅对 社会的伤害，无铅压电陶瓷成为一个热门的研究课题。研究表明许多压电陶瓷的理论 可以应用到无铅压电陶瓷，同样无铅压电陶瓷也可以获得很好的压电性能、介电性能 及机电耦合性能等 1 2 】。 还有在国防中应用的比较多的驰豫铁电单晶，这种材料的研究和开发极大的促进 了压电材料的发展。中科院上硅所采用改进i 拘b r i d g m a n 方法，直接从熔体中生长出大 尺寸高质量的p m n p t 单晶【1 5 】。美国海军通过研究发现和p z t 压电陶瓷相比，p m n p t 单晶材料具有更高的以3 、9 3 3 、恐3 、和较低的介电损耗，可用作高效率发射和高灵 敏度接收的水声换能器，极大地提高了水听器和鱼雷探测器的探测距离，提高国家的 国防能力，还可用在大应变的驱动器、微位移器、机器人等场创1 6 】。 压电陶瓷有很多特点，这些特点包括制造容易，可做成各种形状；可任意选择极 化轴方向；易于改变瓷料的组分而得到具有各种性能的瓷料；成本低，适于大量生产。 这些特点使压电陶瓷得到广泛的应用，目前压电陶瓷主要用于制造超声、水声、电声 换能器，陶瓷滤波器，陶瓷变压器以及点火、引爆装置。此外，还可用压电陶瓷制作 表面波器件、电光器件和热释电探测器等。但是压电陶瓷也有弱点，那就是脆性很大， 经不起机械冲击和非对称受力，而且其极限应变小，密度大，与结构粘合后对结构的 力学性能会产生较大的影响，声阻抗大，厚度机电耦合系数小等。压电陶瓷这些明显 的缺点极大限制了它的实际应用范围。 为了克服单相压电陶瓷材料的上述缺点，人们开始研究了压电复合材料。由于压 电复合材料不但可以克服上述压电陶瓷材料的缺点，而且还兼有各相材料的优点，同 时还有可能获得这些材料没有的特性。甚至可以根据使用需求设计出单相压电材料所 没有的性能，因此越来越引起人们的重视【1 7 舶】。 3 1 3 2 型压电复合材料的制箭及】忭能研究 1 3 压电复合材料的定义和分类 压电复合材料是指由至少一种压电材料与非压电相材料按照一定的连通型组合 在一起而构成的种具有压电效应的新材料【1 9 】。这种材料由于集中了各相材料的优 点，互补了单相材料的缺点，因此白面世以来，得到了广泛的研究和应用。压电复合 材料的特性如电场通路、应力分布形式以及各种性能如压电性能、机械性能等主要由 各相材料的连通方式来决定，连通方式即空间连通模式。复合体各组分可以以1 、2 、 3 维相连，理论上两相材料有十六种连通模式2 0 1 ，常见的有十种基本连通类型，t 郊o - o 、 0 1 、o 一2 、0 3 、1 - 1 、1 - 2 、1 3 、2 2 、2 3 、3 3 型，一般约定第一个数字代表压电相， 第二个数字代表非压电相，例如，1 3 型压电复合材料是指由一维的压电陶瓷柱平行 地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料【2 1 。2 2 1 。而本文研究的1 3 2 型压电复合材料是一种改进的1 3 型压电复合材料，它由1 3 型复合材料与压电基底串 联构成，压电陶瓷以三维方式联通，而基体以二维方式联通，如图1 1 所示【2 3 1 。 陶瓷柱蒸体 图1 11 3 - 2 型压电复合材料结构示意图2 3 1 1 4 压电复合材料的研究进展 葜 霉 珏 斌 剥 a i 一 到目前为止，压电复合材料的发展已有三十多年的历史。1 9 7 2 年，日本的北山 中村试制了p v d f b a t i 0 3 的柔性复合材料，开创了压电复合材料的历史【4 】。1 9 7 8 年， 美国宾州州立大学材料实验室的ren e w n h a m 首次提出了压电复合材料的概念，并 开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制成功了1 3 型压电复合材料 2 4 - 2 5 。在此 基础上，美国加州斯坦福大学的b a a u l d 等人建立了p z t 柱周期排列的1 3 型压电 复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模【2 6 】。8 0 年代以后，美国纽约菲利 4 济南大学硕士学佗论文 浦实验室的w a s m i t h 等人也研究了1 3 复合材料的影响因素，设计并制备了性能优 越于传统传感器的超声换能器【2 7 1 。2 0 世纪9 0 年代至2 1 世纪初，美国麻省理工大学 的r g e n t i l m a 等人用注射成型的方法制备了空间分辨率为5 7 应用于水听器的1 3 型 压电复合材料2 8 1 。在随后的数年中，许多国家的科研机构也相继开展了压电复合材料 的研究工作，如澳大利亚的h e l e nl w c h a n 等【2 9 - 3 0 1 ；德国的t h a u k e 等人采用有限 元方法模拟了l 一3 型压电复合材料的性能并和实验数据进行了比较分析【3 l 】。日本的 h i r o s h it a k e u c h i 等及英国的gh a y w a r d 和r h a l l l i l t o n 【3