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MFC压电纤维复合材料驱动器的制备与性能测试

作　者: 李世成
导　师: 朱孔军
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料学
关键词: 固相法 弛豫铁电体 流延法 压电纤维复合材料 驱动器
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本文采用传统的固相反应法制备了两种铅基弛豫型压电陶瓷，铌镍酸铅-锆钛酸铅(分子式为0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.45Pb(Ti0.7Zr0.3)O3，简称0.55PNN-0.45PZT)和铌锌酸铅-锆钛酸铅(分子式为0.4Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.6Pb(Zr0.49Ti0.51)O3，简称0.4PZN-0.6PZT)，其组分均在准同型相界（MPB）附近。研究了烧结温度对陶瓷微观结构及电学性能的影响，同时，利用流延成型的方法制备了0.4PZN-0.6PZT系陶瓷，采用排列-浇铸法和切割-填充法制备了粗压电纤维复合材料驱动器（MFC）。首先，采用传统的固相反应法制备了0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.45Pb(Ti0.7Zr0.3)O3压电陶瓷，其组分在准同型相界（MPB）附近具有很高的压电和介电性。在1250℃烧结时得到性能最佳的陶瓷：Tc=106℃，ρ=7.77g/cm3， d33=920pC/N， εr=7.41×103， kp=0.62， tanδ=0.024，Pr=27.4μC/cm2，Ec=4.2kV/cm。其次，利用传统的固相反应法制备0.4Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.6Pb(Zr0.49Ti0.51)O3压电陶瓷，其组分在准同型相界（MPB）附近同样具有较高的压电、介电性能。随着烧结温度从1175°C升高到1225°C，样品的弥散程度γ值不断降低，即表明样品的介电弛豫行为减弱，然而，当烧结温度高于1225°C时γ值开始增大。在1225℃烧结时陶瓷的性能最好，在此温度下对应的各性能分别为：εr=2651，tanδ=0.016，d33=536pC/N，kp=0.59，Pr=33.8μC/cm2和Ec=9.2kV/cm。最后，设计了该压电纤维复合驱动器的结构，包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列-浇铸法和切割-填充法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了流延法制备的铌锌锆钛酸铅（0.4PZN-0.6PZT）陶瓷的电学性能及力学性能，理论推导了压电纤维复合材料的压电性能，并采用基于LabVIEW的动态应变系统测试了驱动器的应变性能。结果表明，0.4PZN-0.6PZT陶瓷的压电常数d33=520pC·N-1，弹性柔顺系数s33=20.5×10-12m2·N-1。压电纤维复合材料的理论压电常数d33=509pC·N-1，d31=-156pC·N-1。四组驱动器的复合材料厚度分别为tf=300μm，350μm，400μm，450μm，四组MFC驱动器都在1Hz频率下产生较大的应变，而且在其它条件相同的情况下，tf越小，样品的应变越大。在800V、1Hz时，四组MFC的纵向应变振幅分别为180με、148με、78με和15με，对应的纵向伸缩分别为6.48μm、5.33μm、2.81μm和0.54μm。第一组MFC驱动器具有较强的机电转换能力。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章 绪论  12-25
  1.1 压电材料简介  12-13
  1.2 锆钛酸铅压电陶瓷  13-15
  1.3 弛豫型铁电体  15-18
    1.3.1 弛豫型铁电体概述  15-16
    1.3.2 PNN 弛豫型压电陶瓷  16-17
    1.3.3 PZT 基三元系压电陶瓷  17-18
  1.4 流延成型  18-21
  1.5 MFC 压电纤维复合材料驱动器  21-24
  1.6 本文的主要内容和研究方法  24-25
第二章 固相法制备 0.55Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.45Pb(Ti_(0.7)Zr_(0.3))O_3压电陶瓷  25-35
  2.1 前言  25
  2.2 固相反应法制备压电陶瓷  25-28
    2.2.1 原料选取及粉体制备  26-27
    2.2.2 成型  27
    2.2.3 排胶  27
    2.2.4 烧结  27-28
    2.2.5 表面金属化  28
    2.2.6 极化  28
  2.3 0.55PNN-0.45PZT 压电陶瓷的制备及性能测试  28-34
    2.3.1 试验方案  28-29
    2.3.2 烧结温度对 0.55PNN-0.45PZT 压电陶瓷性能的影响  29-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章 烧结温度对 0.4Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.6Pb(Zr_(0.49)Ti_(0.51))O_3弛豫型铁电体的相变和电学性能的影响  35-45
  3.1 前言  35
  3.2 实验部分  35-36
  3.3 实验结果与讨论  36-44
    3.3.1 0.4PZN-0.6PZT 系压电陶瓷的微观结构  36-40
    3.3.2 0.4PZN-0.6PZT 系压电陶瓷的电学性能  40-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章 压电纤维复合材料驱动器的制备与性能测试  45-60
  4.1 前言  45-46
  4.2 实验部分  46-53
    4.2.1 流延法制备 0.4PZN-0.6PZT 压电陶瓷  46-47
    4.2.2 压电纤维复合材料的制备  47-50
    4.2.3 指形交叉电极的制备  50-52
    4.2.4 MFC 的封装与测试  52-53
  4.3 结果分析  53-59
    4.3.1 0.4PZN-0.6PZT 陶瓷的性能  53-54
    4.3.2 压电纤维复合材料的共应变理论  54-55
    4.3.3 MFC 的性能  55-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章 结论与展望  60-62
  5.1 结论  60
  5.2 展望  60-62
参考文献  62-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间取得的成果  70

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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