PZT压电陶瓷纤维连续纺丝及其在1-3型压电纤维复合材料的应用
本论文采用溶胶-凝胶法和连续纺丝技术制备PZT压电陶瓷纤维，系统研究PZT纤维的结构和性能；采用排列-浇注法制备1-3型压电纤维复合材料，从理论和实验上对复合材料的性能进行分析研究；最后从器件原型角度，研究叉指型压电纤维复合材料的传感性能和正交异性特性。 以三水乙酸铅、丁醇锆和丁醇钛为原料，正丁醇为溶剂，乙酰丙酮为稳定剂，采用独立前驱体法制备可纺性良好的PZT溶胶，研究PZT溶胶的生成机理，分析溶剂、加水量、稳定剂和络合剂等因素对溶胶体系的影响，讨论添加纺丝助剂PVP对纺丝成型和纤维结构的影响；PZT凝胶纤维在适当的热处理条件下转变为陶瓷纤维，XRD结果显示PZT在650℃保温1h时形成单一的钙钛矿相，经1000℃保温1h烧结后转变为铁电四方相；SEM形貌观察到PZT陶瓷纤维表面平整，结构致密，直径小于50µm；EDS成分分析表明PZT陶瓷纤维成分基本保持Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的化学计量比；PZT陶瓷纤维具有明显的铁电性能，烧结温度为1000℃时，其剩余极化强度Pr为20.9µC/cm2，矫顽电场Ec为10.2kV/cm。 采用与PZT陶瓷纤维同源的溶胶-凝胶法制备PZT陶瓷块体，对不同热处理温度下PZT陶瓷块体的结构和性能进行分析。经过1240℃烧结保温2h时PZT陶瓷具有最大致密度（7730kg/m3）和最佳的介电、压电和铁电性能，其在1kHz下的介电常数ε和介电损耗tanδ分别为1175和0.004，压电常数d33为285µC/N，剩余极化强度Pr和矫顽电场Ec分别为25.2µC/cm2和13.5 kV/cm。从极化原理出发，对PZT陶瓷的极化条件进行研究，确定最佳极化条件，并对陶瓷极化前后介电常数和介电损耗的变化进行分析讨论。 以环氧树脂为基体相，PZT陶瓷纤维为压电相制备1-3型圆柱形压电纤维复合材料和叉指电极压电纤维复合材料。圆柱形压电纤维复合材料的介电、压电和铁电性能均随纤维体积分数的增大而增大。采用光刻法制备压电复合材料叉指电极，叉指型复合材料具有薄片化外型和良好挠曲性。利用有限元分析方法对叉指型压电纤维复合材料的静电场大小及其分布进行研究。采用简化模型对叉指型压电纤维复合材料的铁电性能参数进行计算和分析，其剩余极化强度Pr和矫顽电场Ec均比相同纤维含量的圆柱形复合材料的值要小。 从器件原型出发，研究叉指型压电纤维复合材料的传感性能，采用一端固定另一端自由的棒的弯曲振动模型，验证材料弯曲振动模式的正压电效应产生的电压响应的固有频率为材料的弯曲谐振频率。复合材料在简谐激振下有明显的周期性电压输出。叉指型压电纤维复合材料具有显著的正交异性特性，其在纤维纵向方向具有最大的电压响应。本实验结果对于新型压电传感器和执行器的设计与制作具有一定的理论指导和实用价值。
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