螺旋型压电复合材料的制备工艺改进和性能分析

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本研究通过轧膜-卷曲成型的办法制具有螺旋形复合的3/4PLZT-1/4PZN/环氧树脂复合压电复合材料,并制备了一系列不同体积分数的复合材料样品。测试了0.25PZN-0.75PLZT陶瓷相基体的基本陶瓷参数,获得了陶瓷基体的弹性系数、压电系数、泊松比、介电常数等参数,分析了体积分数、烧结方式和极化工艺对压电复合材料的压电常数、介电常数、机电耦合系数等性能的影响。分析得出,1220℃为最佳陶瓷相烧结温度,该条件下烧结的陶瓷相密度为7.76 g/cm3,复合后得到的压电复合材料的性能最优。随着陶瓷相体积所占体积百分比的增加,压电系数d33的数值逐渐增大,介电性能不断增强。复合材料的Kt值随着陶瓷相体积分数的增加而不断减小。当陶瓷相体积分数小于60%时, Kt缓慢减小;大于60%时,Kt迅速下降。随着陶瓷相所占比例的越来越多,压电复合材料静水压应变系数 dh先变大然后又变小,静水压电压系数gh逐渐减小,优值HFOM先增大后减小,在陶瓷相体积分数为70%-80%时,压电复合材料取得最好的水声性能 dh=343PC/N, gh=342.5×10-3V/MPa,优值HFOM为4449×10-15Pa-1。随极化电场场强的增强,压电复合材料的纵向压电常数 d33、相对介电常数r、静水压应变系数dh变化规律相似,都呈现逐渐上升趋势。在极化场强分别为2kV/mm和3kV/mm时,复合材料的介电和压电及水声性能较为接近,因此优化出的最佳极化场强为2kV/mm,该极化场强下,d33为390PC/N,εr为1912;dh为343PC/N。使用有限元软件ANSYS对螺旋形压电复合材料在电场作用下的应力应变分布、总变形进行了模拟分析。分析得出螺旋型压电复合陶瓷材料的各项参数d33、εr、Kp都和陶瓷相体积所占比例有相同的变化规律,而Kt的变化规律则与之相反。在陶瓷相体积所占比例超过60%时,Kt下降迅速,此点可作为一个分界点。这与实验结果相吻合。
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