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氧化锌晶须/锆钛酸铅压电复合材料的制备与性能研究

作　者: 田华
导　师: 张德庆
学　校: 齐齐哈尔大学
专　业: 化学工艺
关键词: 氧化锌晶须 压电复合材料 力学性能 电学性能 掺杂
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文旨在探索燃烧法制备高质量ZnO晶须（ZnO whiskers,ZnOw）工艺,解决复合压电陶瓷基本制备工艺,降低烧结温度,改善PZT陶瓷的本征脆性,提高压电陶瓷的力学性能。然后,再分别向ZnOw/PZT压电复合材料中加入微量添加剂Sb2O3粉与纳米ZnO粉来进一步改善压电复合陶瓷的电学性能与机械性能。主要研究工作如下:（1）实验采用燃烧法制备ZnOw,对不同生长条件下产物的晶体结构、形貌与成分利用XRD、SEM、EDS等手段进行表征,探讨了生长温度、保温时间、拉出时间对产物形貌与结构的影响,初步探讨ZnOw的生长机理;实验结果表明:900℃低温下保温时间短多生成片状,980℃高温下出现多角晶须,高质量ZnOw制备最佳条件为960℃、保温3min、拉出时间30s,四角状ZnOw为典型六方纤锌矿结构。（2）分析不同烧结温度对PZT压电陶瓷的致密度与电学性能的影响,利用XRD、SEM、EDS等手段对不同温度下烧结的PZT进行晶体结构、形貌与成分的分析,得到最佳烧结温度区间为1050-1150℃。（3）将利用溶液法修饰的ZnOw按不同比例与PZT粉体混合,通过固相烧结法制备ZnOw/PZT压电复合陶瓷,用XRD表征分析产物的晶体结构,用SEM观察陶瓷的微观形貌,研究了不同烧结温度、不同ZnOw添加量对ZnOw/PZT压电复合陶瓷的烧结密度、微观结构、形貌、成分、电学性能与力学性能的影响,揭示了ZnOw/PZT的成分-结构-性能关系及强韧化机制。结果表明:2%ZnOw/PZT压电复合材料在1100℃下烧结时力电性能最佳,相对密度、d33、Qm、Kp、ε33T /ε0、KIC、σf和σc分别为98.61%、272 pC·N-1、624.474、0.5773、1429.65、1.76 MPa.m1/2、95.42 MPa和485.16 MPa。（4）研究了Sb2O3粉掺杂对PZT电学性能的影响,实验结果表明:d33与ε33T /ε0随Sb2O3添加量增加先增加后减少,Qm与Kp随Sb2O3添加量的增加而降低,最佳添加量为0.5%。然后将0.5%Sb2O3粉作为添加剂掺入ZnOw/PZT,研究其对压电陶瓷烧结密度与电学性能的影响,当烧结温度1100℃,Sb2O3掺杂量为0.5%时,2% ZnOw / PZT得到最佳值,电性能d33,Qm,Kp,ε33T /ε0与密度分别为293.17 pC·N-1,50.283,0.5308,1470.797和7.39 g/cm3,与2% ZnOw / PZT相比,密度降低,电性能d33与ε33T /ε0增加,Qm与Kp略为下降。（5）研究了ZnO纳米粉掺杂对PZT压电陶瓷电学性能的影响,d33随添加量增加而增加,ε33T /ε0、Qm与Kp随添加量增加而降低。最适添加量为0.5%,ε33T /ε0、Qm与Kp略降,但d33大幅增加。研究了0.5 wt % ZnO纳米粉作为添加剂掺入ZnOw/PZT对压电陶瓷致密度与电学性能的影响,得到0.5%ZnO /0.5%ZnOw/ PZT烧结温度1100℃时的d33,Qm,Kp,ε33T /ε0与密度分别为265.33 pC·N-1,649.861,0.5146,1326.267与7.3 g/cm3,与0.5%ZnOw/ PZT相比,d33和ε33T /ε0增加,Qm和Kp略降,密度大幅降低。综上所述,本文探索了燃烧法制备高质量ZnOw的实验条件,制备了以PZT为基体、ZnOw为增强体的压电复合材料、研究了复合材料的密度结构电学与力学性能,利用Sb2O3粉、ZnO纳米粉作为添加剂改善ZnOw/PZT的性能,为研究高性能的压电复合材料的设计与制备提供了参考。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-24
  1.1 压电效应  12-13
  1.2 压电陶瓷的发展  13-15
  1.3 压电陶瓷的基本物理性质  15-17
    1.3.1 介电性及弹性性质  15
    1.3.2 压电陶瓷的压电性  15-16
    1.3.3 压电特性的物理机制  16-17
  1.4 压电陶瓷的主要性能参数  17-19
    1.4.1 压电常数  17-18
    1.4.2 机械品质因数  18
    1.4.3 机电耦合系数  18
    1.4.4 介电常数  18-19
  1.5 锆钛酸铅（Pb(Zr_xTi_(1-x))O_3）的研究进展及发展趋势  19-21
  1.6 压电陶瓷的应用  21
  1.7 本论文的研究背景、主要内容和意义  21-24
2 实验工艺与测试技术  24-33
  2.1 实验原材料与实验仪器  24-25
  2.2 ZnO 晶须的制备工艺  25-26
    2.2.1 燃烧氧化法制备ZnOw 的实验装置  25
    2.2.2 ZnO 晶须制备  25
    2.2.3 ZnO 晶须的表征  25
    2.2.4 ZnO 晶须形貌与生长机理  25-26
  2.3 ZnOw/PZT 的复合成型、烧结、表征与性能测试  26-33
    2.3.1 ZnOw 的预处理  26
    2.3.2 ZnOw/PZT 的复合成型制备与低温烧结  26-28
    2.3.3 ZnOw/PZT 的电学性能实验  28-29
    2.3.4 ZnOw/PZT 的力学性能实验  29-31
    2.3.5 其他  31-33
3 ZnO 晶须制备、表征与生长机理研究  33-50
  3.1 燃烧氧化法制备ZnOw  33-34
    3.1.1 燃烧氧化法制备ZnOw 的实验装置  33
    3.1.2 实验试剂与仪器  33-34
    3.1.3 实验操作步骤  34
    3.1.4 产物结构和形貌表征  34
  3.2 四角氧化锌的形貌分析与结构的表征  34-46
    3.2.1 反应条件对四角氧化锌晶须形貌的影响分析  34-44
    3.2.2 典型四角氧化锌结构的XRD 分析  44-45
    3.2.3 四角氧化锌纳米结构的EDS 分析  45-46
  3.3 四角氧化锌生长机理  46-49
  3.4 本章小结  49-50
4 ZnOw/PZT 的制备与性能  50-96
  4.1 PZT 的实验条件、烧结参数与性能  50-55
    4.1.1 烧结温度对PZT 致密度影响  50-51
    4.1.2 PZT 相结构表征  51-52
    4.1.3 烧结温度对PZT 微结构的影响  52-54
    4.1.4 烧结温度对PZT 的电学性能的影响  54-55
    4.1.5 PZT 烧结小结  55
  4.2 ZnOw/PZT 烧结参数及性能  55-80
    4.2.1 ZnOw 添加量与烧结温度对ZnOw/PZT 致密度影响  55-57
    4.2.2 ZnOw 添加量与烧结温度对ZnOw/PZT 的相结构影响  57-59
    4.2.3 ZnOw 添加量与烧结温度对ZnOw/PZT 微结构影响  59-61
    4.2.4 ZnOw 添加量与烧结温度对ZnOw/PZT 的电学性能的影响  61-66
    4.2.5 ZnOw 添加量对ZnOw/PZT 力学性能的影响  66-68
    4.2.6 ZnOw/PZT 的增韧机制  68-75
    4.2.7 界面结合对ZnOw/PZT 性能的影响  75-80
    4.2.8 ZnOw/PZT 小结  80
  4.3 Sb_2O_3 粉掺杂与对ZnOw/PZT 电性能的影响  80-87
    4.3.1 Sb_2O_3/PZT 的电学性能  80-83
    4.3.2 Sb_2O_3 对ZnOw/PZT 电学性能的影响  83-86
    4.3.3 Sb_2O_3 粉掺杂与对ZnOw/PZT 性能的影响小结  86-87
  4.4 纳米ZnO 粉掺杂与对ZnOw/PZT 性能的影响  87-96
    4.4.1 ZnO/PZT 的电学性能  87-91
    4.4.2 ZnO 对ZnOw/PZT 电学性能的影响  91-95
    4.4.3 ZnO 粉掺杂与对ZnOw/PZT 性能影响小结  95-96
结论  96-98
参考文献  98-102
致谢  102-103

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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