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功率型PZT压电陶瓷的增韧研究

作　者: 周虎
导　师: 何云斌
学　校: 湖北大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 压电陶瓷 PZT 增韧 YSZ 稀土 电学性能 力学性能
分类号: TQ174.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本论文针对大功率器件韧性差的特点,选择了一种二元系功率型PZT压电陶瓷材料,通过掺杂YSZ、掺杂稀土元素、不同预烧温度合成瓷料的混合、复合掺杂等途径,采用XRD.SEM.硬度和断裂韧性测试、压电介电性能测试等手段,对该材料进行了系统的增韧研究。首先,确定和制备了具有优良性能的功率型压电陶瓷材料：Pb0.95Sr0.05(Zr0.525Ti0.475)03+1.1mol%CaFeO5/2+0.3mol%Fe203+0.2mol%Li2C03+0.1mol%MgO.具体性能参数为：d33=259pC/N,Qm=702,Kp=54.0%,ε33T/ε0=1038,tan δ=0.0029.该材料通过适量YSZ的掺入,提高了陶瓷的致密度,改善了陶瓷的力学性能,当掺杂0.5wt%时,陶瓷的力学性能最佳,断裂韧性KIC=1.506MPa·m1/2,与未掺杂的陶瓷性能相比,KIc提高15.9%。且电学性能下降不明显。稀土元素Nd、Dy、Yb掺入该材料,使陶瓷晶粒细小,致密度高,且均对陶瓷有不同程度的增韧作用。最佳力学性能分别为：1.485MPa·m1/2(Nd203掺杂量为0.3wt%),与未掺杂的陶瓷性能相比,KIc提高14.0%；1.483MPa·m1/2(Dy203掺杂量为0.2wt%)与未掺杂的陶瓷性能相比,KIc提高13.8%；1.503MPa·m1/2(Yb203掺杂量为0.2wt%)与未掺杂的陶瓷性能相比,KIc提高15.3%。电学性能上,d33、Kp、ε33T/ε0均有所提高,Qm降幅较明显,表现出“软性”掺杂的特点。该材料通过不同预烧温度合成瓷料的混合,烧成陶瓷的力学性能也得到了一定的提高。在850℃预烧粉料中添加8wt%的1050℃预烧粉料时,所得陶瓷的力学性能最佳,KIC=1.47MPa·m1/2。与原基方的陶瓷性能相比,Kic提高12.8%。电学性能基本保持不变。采用YSZ掺杂、Yb203掺杂、高温预烧粉料添加三者对该材料的协同增韧,均对陶瓷力学性能有不同程度的改善。高温预烧颗粒和Yb2O3的组合增韧效果最佳,陶瓷KIC=1.52MPa·m1/2,与原基方的陶瓷性能相比,KIc提高16.6%。通过不同方式对陶瓷的增韧研究,我们获得了同时具有好的电学性能和力学性能的PZT功率型压电陶瓷材料,从而扩宽了该材料在功率型器件方面的应用范围。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-26
  1.1 压电陶瓷的压电效应及其应用  11-16
    1.1.1 压电陶瓷的内部结构  11-12
    1.1.2 压电陶瓷的自发极化与电畴  12-14
    1.1.3 陶瓷的压电效应  14
    1.1.4 压电陶瓷的发展及应用  14-16
  1.2 压电陶瓷材料的改性及功率型压电陶瓷的研究现状  16-19
    1.2.1 压电材料的体系  16
    1.2.2 压电陶瓷的掺杂改性  16-17
    1.2.3 功率型压电陶瓷的研究现状  17-19
  1.3 陶瓷材料的强韧化  19-24
    1.3.1 韧化类型  19-20
    1.3.2 增韧机理  20-22
    1.3.3 陶瓷的增韧现状  22-24
  1.4 本课题的提出及其研究内容  24-26
2 压电陶瓷的制备工艺及其结构表征与性能测试  26-32
  2.1 压电陶瓷的制备工艺  26-29
  2.2 压电陶瓷的结构表征与性能测试  29-32
    2.2.1 结构表征  29
    2.2.2 性能测试  29-32
3 功率型PZT压电陶瓷的YSZ掺杂增韧  32-43
  3.1 引言  32
  3.2 功率型压电陶瓷基本配方的确定  32
  3.3 实验方法  32-33
  3.4 结果与讨论  33-42
    3.4.1 陶瓷相结构与显微组织结构  33-36
    3.4.2 YSZ掺杂对陶瓷力学性能的影响  36-39
    3.4.3 YSZ掺杂对陶瓷压电及介电性能的影响  39-41
    3.4.4 YSZ掺杂陶瓷与不掺杂陶瓷性能比较  41-42
  3.5 本章小结  42-43
4 功率型PZT压电陶瓷的稀土元素增韧  43-57
  4.1 引言  43
  4.2 实验方法  43
  4.3 结果与讨论  43-55
    4.3.1 陶瓷相结构与显微组织结构  43-49
    4.3.2 不同稀土元素掺杂对陶瓷力学性能的影响  49-51
    4.3.3 不同稀土元素掺杂对陶瓷压电及介电性能的影响  51-54
    4.3.4 不同稀土元素增韧效果的比较  54-55
  4.4 本章小结  55-57
5 功率型PZT压电陶瓷的颗粒增韧和协同增韧  57-66
  5.1 不同瓷料颗粒混合对陶瓷性能的影响  57-62
    5.1.1 实验方法  57
    5.1.2 结果与讨论  57-62
    5.1.3 颗粒增韧效果及其对陶瓷性能影响的比较  62
  5.2 多种方式协同增韧对陶瓷性能的影响  62-65
    5.2.1 实验方法  62-63
    5.2.2 结果与讨论  63-65
  5.3 本章小结  65-66
全文总结  66-68
参考文献  68-75
附录  75-76
致谢  76

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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 > 陶瓷制品
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