大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管的制備及性能研究.pdf

1、相比于傳統(tǒng)塊狀、片狀壓電陶瓷材料，大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管不僅具有優(yōu)良的壓電、介電性能，還具有柔韌性好，體積小，易與基體結(jié)構(gòu)集成，以及使用時(shí)電場(chǎng)損失小等特點(diǎn)。大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管的制備可以有效的解決傳統(tǒng)壓電陶瓷材料集成時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性影響大的問題，進(jìn)一步推動(dòng)主動(dòng)振動(dòng)控制復(fù)合材料及壓電儲(chǔ)能復(fù)合材料的優(yōu)化和應(yīng)用。
　　本文以PZT5壓電陶瓷預(yù)燒粉為原料，采用塑性聚合物-擠制成型法制備固相含量不同的PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管素坯；經(jīng)排膠及不

2、同條件下燒結(jié)，制得PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管。分別采用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和排水法測(cè)定陶瓷管的相組成、顯微結(jié)構(gòu)和體積密度。研究了陶瓷泥料配方、燒成溫度、保溫時(shí)間和燒成氣氛對(duì)PZT5陶瓷管相組成、顯微結(jié)構(gòu)和體積密度的影響。結(jié)果表明，采用塑性聚合物-擠制成型法可成功制備出平直、表面光滑的長(zhǎng)150 mm，外徑1.98 mm，內(nèi)徑0.8 mm的PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管；最佳陶瓷泥料配方為陶瓷預(yù)燒粉：聚乙烯醇水溶液（

3、10％）：丙三醇=26:3:1，此時(shí)陶瓷固相含量為87%；最佳燒成條件為1290℃下燒結(jié)，保溫2 h，同時(shí)采用ZrO2和Pb3O4的混合物作為埋燒粉；所得陶瓷管由單一鈣鈦礦相組成，無ZrO2、燒綠石或其他雜相；晶粒大小均勻，晶界清晰，結(jié)構(gòu)致密，晶粒尺寸為2-5μm，體積密度為7.70 g/cm3。
　　采用化學(xué)鍍鎳法在PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管內(nèi)外壁鍍覆電極。首先，以鍍速和電阻率為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法確定出PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷

4、管化學(xué)鍍鎳最佳粗化工藝參數(shù)；然后，采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究各粗化參數(shù)對(duì)PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管化學(xué)鍍鎳層性能的影響；最后，綜合對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管化學(xué)鍍鎳最佳粗化方案。結(jié)果表明，PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管內(nèi)外壁化學(xué)鍍鎳最優(yōu)粗化方案為：粗化液中氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、粗化溫度為25℃、粗化時(shí)間為35 min、粗化液中乙二胺濃度為30 mL/L。選用此粗化方案對(duì)PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管進(jìn)行粗化處理，可在PZT5

5、陶瓷管內(nèi)外壁獲得光亮、均勻、致密、結(jié)合力好、電阻率小的鎳電極。
　　采用真空極化法對(duì)PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管進(jìn)行極化處理。采用Agilent4294A型精密阻抗分析儀測(cè)量極化后 PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管的諧振頻率 fr、反諧振頻率 fa、電容C和介電損耗tanδ，并通過諧振頻率-反諧振頻率法與電容法推算PZT5壓電陶瓷管的橫向機(jī)電耦合系數(shù)K31和相對(duì)介電常數(shù)εr。研究了極化電場(chǎng)、極化溫度、極化時(shí)間對(duì)PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管壓

6、電、介電性能的影響。結(jié)果表明，采用真空極化法可成功實(shí)現(xiàn)PZT5大長(zhǎng)徑比壓電陶瓷管的有效極化；最佳極化參數(shù)為：極化電場(chǎng)為2.0 kV/mm，極化溫度為25℃，極化時(shí)間為10 min。
　　用ZJ-6A型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x測(cè)量PZT5壓電陶瓷管的壓電應(yīng)變常數(shù)d33。用Agilent4294A型精密阻抗分析儀測(cè)試陶瓷管在1 kHz時(shí)的電容C和介電損耗tanδ，并進(jìn)一步推算PZT5壓電陶瓷管的相對(duì)介電常數(shù)εr。用Agilent4294A型