压电纤维及其1-3型复合材料的制备与性能研究

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1-3型压电复合材料由于其独特的结构优势不仅具有较高的压电性能而且具有较好的柔韧性,低声阻抗,高厚度机电耦合系数等优点使其在医疗超声,无损检测和水声换能器等方面有着广泛的应用。   本文采用炭块和石墨材料作为模板,制备了不同直径的压电纤维并与环氧树脂复合制备了1-3型压电复合材料。研究了压电纤维及其1-3型复合材料的制各工艺,测试了1-3型复合材料的压电性能,并对单根纤维压电常数d33的测试进行了探索性实验,将实验结果与传统的准静态测试结果进行了比较分析。   活化后的炭块孔结构规则,含有大量贯通的直通孔,在高温下可完全脱除,适合作为模板制备直径微细的压电纤维。采用此模板浸渍溶胶制备所得PMN压电纤维排列有序,直径约为10μm,但纤维致密度不高。在此基础上,本文通过添加粉体和离心加压的处理显著提高了纤维的致密度。采用此纤维与环氧树脂复合后获得1-3型压电复合材料,并采用X射线衍射(XRD)检测其物相结构,用HP4294阻抗分析仪、ZJ-3A型准静态测量仪测试了复合材料的压电性能。实验结果表明:当烧结温度为950℃时可获得纯净钙钛矿结构的PMN压电纤维;其1-3型复合材料的压电常数d33、介电常数、介电损耗、机械品质因数分别为20pC/N、12、0.83%、1.22、1.28。   经机械加工获得的石墨块体,其孔洞排列规整,模板可在氧化气氛中脱除,但还有少量灰分等不能完全去除。但是这些剩余物可在烧结过程中作为纤维的支撑,使其保持结构完整性。本文以此石墨为模板,采用挤制法分别制备了直径为250μm和750μm的PMN压电纤维,纤维平直、结构致密。将此纤维与环氧树脂复合后获得1-3型压电复合材料,并采用XRD检测其物相结构,用阻抗分析仪、ZJ-3A型准静态测量仪测试了复合材料的压电性能。实验结果表明:当PMN压电纤维的烧结温度为1200℃并保温2h时,衍射图谱中无杂相存在,为纯的钙钛矿结构,且在2θ=20~22.5°、47~52.5°和72~75°范围内均有分峰出现,表明陶瓷处于三方-四方相共存的准同型相界区间,此时具有最佳的压电性能;由直径为750μm压电纤维复合而成的1-3型复合材料,其压电常数d33,介电常数、介电损耗、机械品质因数分别为357pC/N、2622、7.1%、14.4;由直径为250μm的纤维与环氧树脂复合而成的1-3型复合材料,其压电常数d33、介电常数、介电损耗、机械品质因数分别为284pC/N、578、1.4%、19。   本文从压电常数d33定义出发,推导了测试原理,并设计了测试装置,对单根纤维的压电常数d33的测试进行了探索性试验,测试了不同长度、不同直径的压电纤维的压电常数d33。研究结果表明:长度为3.2mm、4.3mm、4.4mm、4.1mm的PMN压电纤维的压电常数d33的值分别为237pC/N、238pC/N、225pC/N、185pC/N,PMN压电纤维的平均值为196pC/N,该值略低于准静态法测试结果,测试精度还有待提高。
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