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压电纤维及其水泥基复合材料的制备与性能研究

作　者: 王国辉
导　师: 关新春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: PZT-51压电纤维水泥基压电复合材料塑性聚合物法溶胶-粉末法
分类号: TQ172.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

相比单相压电陶瓷,水泥基压电复合材料的压电电压常数大幅提高,制作成的传感器的声阻抗能够调整到与混凝土结构相匹配,这有利于拓宽传感器的使用频率,提高传感器的灵敏度和分辨率。此外,此类复合材料还可以用来制作压电发电装置用来大规模集能发电,是近年来研究的一个热点。但是,目前国内对水泥基压电复合材料传感器的应用研究还不是很多,对以利用压电材料进行大规模集能发电为目的研究更是少见。基于此,本文以土木工程为背景,重点对水泥基压电复合材料的制备工艺进行了研究,并分析了其性能,具体的研究内容如下:(1)采用塑性聚合物法制备了PZT-51压电纤维,研究了烧成制度和泥料中的有机物含量对PZT-51压电纤维结构和性能的影响,研究结果表明,最佳烧成温度为1290oC,保温时间为0.5h,最佳泥料配方为PZT-51:PVA粘结剂:丙三醇的质量比为30:3:1,PVA粘结剂的浓度为8%。(2)采用溶胶-粉末法制备了PZT-51压电纤维,研究了PZT溶胶与PZT-51预烧粉的摩尔比、PZT溶胶中的加酸量和加水量、纤维直径等对纤维性能的影响;并与塑性聚合物发制备压电纤维的方法做了对比。(3)制备了0-3型水泥基压电复合材料,研究了PZT-51陶瓷颗粒粒度、颗粒级配、颗粒形状等对0-3型水泥基压电复合材料压电性、介电性和机电耦合性能的影响。(4)制备了1-3型水泥基压电复合材料,研究了PZT-51压电纤维体积含量对1-3型水泥基复合材料压电性、介电性及机电耦合性能的影响。(5)提出了0-3-1型水泥基压电复合材料的概念并制备0-3-1型水泥基压电复合材料,对比了其与0-3型水泥基压电复合材料性能的差别。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1 章绪论  10-19
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
  1.2 压电材料  11-12
  1.3 压电效应及其机理  12-13
  1.4 压电复合材料  13-16
    1.4.1 单相压电材料应用的局限性  13
    1.4.2 压电复合材料研究概述  13-16
  1.5 压电陶瓷纤维  16-18
    1.5.1 压电陶瓷纤维简介  16-17
    1.5.2 压电纤维制备方法研究  17-18
  1.6 本课题研究的主要内容  18-19
第2章塑性聚合物法制备PZT-51 压电纤维  19-40
  2.1 引言  19
  2.2 实验原材料和仪器  19-20
    2.2.1 实验原材料  19
    2.2.2 实验仪器  19-20
  2.3 结构与性能表征方法  20-22
    2.3.1 形貌观测  20
    2.3.2 热分析  20-21
    2.3.3 物相结构分析  21
    2.3.4 压电陶瓷纤维的抗拉强度  21-22
  2.4 PZT-51 陶瓷泥料的制备  22-24
    2.4.1 粘结剂的选择与配制  22
    2.4.2 PZT-51 陶瓷泥料的制备工艺  22-23
    2.4.3 温度对泥料挤制性能的影响  23-24
  2.5 PZT-51 压电陶瓷纤维的制备  24-27
    2.5.1 挤制设备设计  24-25
    2.5.2 PZT-51 压电纤维的制备工艺  25-27
  2.6 烧成制度对PZT-51 压电纤维结构影响  27-37
    2.6.1 烧成温度对PZT-51 压电纤维结构的影响  28-32
    2.6.2 保温时间对PZT-51 压电纤维结构的影响  32-34
    2.6.3 烧结气氛对PZT-51 压电纤维结构的影响  34-36
    2.6.4 烧成制度的制定  36-37
  2.7 有机物含量对PZT-51 纤维抗拉伸性能的影响  37-38
    2.7.1 陶瓷固含量对纤维抗拉伸性能的影响  37-38
    2.7.2 粘结剂浓度对纤维抗拉强度的影响  38
  2.8 本章小结  38-40
第3章溶胶-粉末法制备PZT-51 压电纤维  40-52
  3.1 引言  40
  3.2 溶胶制备概述  40-41
  3.3 PZT溶胶的制备  41-45
    3.3.1 原料试剂  41
    3.3.2 催化剂和溶剂的选择  41-42
    3.3.3 单体前驱液的混合顺序  42
    3.3.4 溶胶的配制过程  42-44
    3.3.5 溶胶的生成机理  44
    3.3.6 溶胶浓度的调整及纺丝性能观察  44-45
  3.4 溶胶-粉末法制备PZT-51 压电陶瓷纤维  45-48
    3.4.1 制备PZT压电陶瓷纤维素坯  45-46
    3.4.2 烧结制度的制定  46-47
    3.4.3 溶胶与陶瓷粉的比例的确定  47-48
  3.5 制备工艺对PZT-51 压电纤维的性能的影响  48-50
    3.5.1 加水量对PZT-51 压电纤维性能的影响  48
    3.5.2 加酸量对PZT-51 压电纤维性能的影响  48-49
    3.5.3 不同直径纤维的烧结性能对比  49-50
  3.6 两种方法制备出的纤维的性能对比  50-51
    3.6.1 PZT-51 纤维性能对比  50
    3.6.2 烧成纤维的XRD物相分析对比  50-51
  3.7 本章小结  51-52
第4章水泥基压电复合材料制备及性能分析  52-75
  4.1 引言  52
  4.2 性能测试及方法  52-54
    4.2.1 压电应变常数  52
    4.2.2 压电电压常数  52-53
    4.2.3 机电耦合系数  53-54
    4.2.4 介电常数  54
  4.3 0-3 型水泥基压电复合材料制备与性能研究  54-62
    4.3.1 0-3 型水泥基压电复合材料的制备  54-55
    4.3.2 PZT-51 颗粒粒度对0-3 型水泥基压电复合材料的性能的影响  55-60
    4.3.3 PZT-51 压电陶瓷颗粒级配对复合材料性能的影响  60-61
    4.3.4 PZT-51 颗粒形状对复合材料性能的影响  61-62
  4.4 PZT-51 体积分数对1-3 型水泥基压电复合材料性能的影响  62-70
    4.4.1 1-3 型水泥基压电复合材料的制备  62-65
    4.4.2 1-3 型水泥基压电复合材料的密度  65-66
    4.4.3 PZT-51 体积分数对压电常数的影响  66
    4.4.4 PZT-51 体积分数对介电常数的影响  66-67
    4.4.5 PZT-51 体积分数对机电耦合性能的影响  67-69
    4.4.6 PZT-51 体积分数对复合材料的声阻抗的影响  69-70
  4.5 0-3-1 型水泥基压电复合材料制备与性能研究  70-73
    4.5.1 0-3-1 型压电复合材料的制备  70-71
    4.5.2 0-3-1 型压电复合材料的压电与介电性能  71
    4.5.3 0-3-1 型压电复合材料的机电耦合性能  71-73
    4.5.4 0-3-1 型压电复合材料的声阻抗  73
  4.6 本章小结  73-75
结论  75-77
参考文献  77-83
致谢  83

压电纤维及其水泥基复合材料的制备与性能研究

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