0-3型PZT/聚合物压电复合材料的制备及性能研究

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0-3型压电复合材料是指压电陶瓷以颗粒的形状分布在三维自身连通的聚合物基体中制备而成的复合材料。它克服了压电陶瓷脆性和聚合物温度局限性的缺点,具有较好的可设计性;其密度和声阻抗小,容易实现陶瓷与传递介质之间的匹配,在传感领域得到了广泛的应用。但陶瓷以颗粒的形态分布在基体中,与基体的接触面积大,两相之间的结合状态差。另外,聚合物基体的介电常数比陶瓷小很多,不利于压电复合材料的极化。改善陶瓷与基体性能的匹配对提高复合材料的性能具有重要意义。  利用不同的温度对压电陶瓷锆钛酸铅PZT进行了热处理,并利用热处理后的PZT制备了压电复合材料。高温处理提高了压电陶瓷的压电活性,同时也改善了陶瓷与基体的界面结合状态,提高了压电复合材料的综合性能。  制备了压电陶瓷质量分数不同的压电复合材料,压电复合材料的压电应变常数、介电常数、机电耦合系数随着陶瓷含量增大而增大,机械品质因素随着陶瓷含量的增大而减小。当PZT质量分数为90%时,压电复合材料的压电应变常数为20pC/N,而且压电复合材料仍具有良好的柔韧性。  选取环氧树脂对聚氨酯基体改性,以适量的环氧树脂与聚氨酯交联反应生成的互穿网络结构为基体,可以提高压电复合材料的压电常数。当环氧树脂质量分数为15%时,压电复合材料的压电应变常数比改性前提高了4%。  利用不同粒径的炭黑对压电复合材料掺杂改性,适量的炭黑掺杂能显著的提高压电复合材料的压电和介电性能。不同粒径的炭黑对压电复合材料的影响效果不同。以粒径为15nm的炭黑为导电相,当炭黑含量为4%时,复合材料的d33达到最大值;而以粒径为30nm的炭黑为导电相的最佳质量分数为5%。  对电晕极化装置进行了改进,增加了极化针尖数量,尝试了压电复合材料的大面积极化的方法,为压电复合材料的大面积极化提供了一种途径。利用压电复合材料制备的传感元件对动态载荷具有良好的输出响应。
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