1-3型压电陶瓷纤维复合材料性能的理论分析与实验研究.Stamped
PLZT陶瓷纤维_环氧树脂1-3复合材料的制备和性能研究
２期李坤，等：ＰＬＺＴ陶瓷纤维／环氧树脂１－ａ复合材料的制备和性能研究３６３———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————、——————————一此，衍射角２０数据需从小步长慢速扫描的Ｘ射线衍射图谱求得．图１凝胶纤维的热解升温程序Ｆｉｇ１Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｇｅｌｆｉｂｅｒｓ图３ＰＬＺＴ陶瓷纤维粉末的ｘ射线衍射图谱Ｆｉｇ．３Ｘ—ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＰＬＺＴｐｏｗｄｅｒＭｉｌｌｅｄ仵ＯＩｎｃｅｒａｍｉｃｆｉｂｅｒｓ图２ＰＬＺＴ陶瓷纤维的扫描电镜照片Ｆｉｇ２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆａＰＬＺＴｃｅｒａｍｉｃｆｉｂｅｒ圈４ＰＬＺＴ纤维／环氧树脂１－ａ复合材料的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ４ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆａＰＬＺＴｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙ１－３ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｉｓｋ２．３陶瓷纤维／环氧树脂１－３复合材料的制备把陶瓷纤维束插入直径为５ｍｍ、一端封闭的聚丙烯塑料管中．用舣酚Ａ类环氧树脂（由环氧树脂６１８、酸酐固化剂和邻苯二甲酸二辛酯配成）灌注，经抽真空脱气泡和１２０。
Ｃ固化后，形成陶瓷纤维／环氧树脂１－３复合材料棒．用钻石锯将复合材料棒沿横向切成薄片，并将其进行打磨、抛光、蒸镀铬／金电极，然后在３ｋＶ／ｍｍ电场下进行极化．将极化好的复合材料压电片包于铝箔中老化两天．待其性能稳定后，用阻抗分析仪、ｄａａ测定仪等对样品进行分析．罔４为陶瓷纤维／环氧树脂１－３复合材料的扫描电镜照片．图片显示：陶瓷纤维的直径大小以及在基体中的分布都比较均匀．２．４纤维平均密度及复合物中纤维含量测定由于陶瓷纤维的直径很小，单根纤维的质量很轻，一般天平的精度不能满足测量要求，本文采用阿基米德法对一束纤维进行测量，求贫其平均密度．做法如下：取一Ｈ２５ｉｎＬ的容量瓶，加水至刻度线，准确称量瓶加水的质量Ｍ·用毛细管抽掉部分水，再将已经准确称重的纤维束（Ｍｆ）放入容量瓶中，在盐水浴中加热至近沸腾．保温１ｈ．或将容量瓶放入超声波发生器中，超声脱气３０ｒａｉｎ取出容量瓶，用去离子水清洗外壁后吹干．凉至室温时，加水至刻度线，再次准确称量瓶＋水＋纤维的重量＾如．根据Ｍ＝＾，ｌ一（ｎ如一地）求出纤维PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备和性能研究作者：李坤， 李金华， 李锦春， 陈王丽华作者单位：李坤,李锦春(江苏工业学院材料系,常州,213016)， 李金华(江苏工业学院,信息科学系,常州,213016)， 陈王丽华(香港理工大学应用物理系,香港九龙)刊名：无机材料学报英文刊名：JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS年，卷(期)：2004,19(2)被引用次数：18次1.Janas V F;Safari A查看详情[外文期刊] 1995(11)2.Sliwa J W;Ayter Jr;S;Mohr J P Method for Kaking Piezoelectric Composites, Canada, Can 19943.Bast U;Kaarrmann H;Lubitz K Composite Ultrasonic Transducer and Method for Manufacturing a Structured Composite Therefore of Piezoelectric Ceramic 19924.Pazol B G;Bowen L J查看详情 19955.Browen L J;Genntilman R L;Pham H T查看详情 1993(01)6.Jadidian B;Janas V;Safari A查看详情 19967.French J D查看详情 19968.Meyer R J;T Shrout R;Yoshikawa S Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics 19969.Li Kun Piezoelectric Ceramic Fibre/Polymer 1-3 Composites for Transducer Applications 200210.Chan H LW;Unsworth J查看详情 1989(04)11.Smith W A查看详情 1993(01)12.An American National Standard IEEE Standard on Piezoelectricity1.贾国秀.胡成城.沈湘黔.Jia Guoxiu.Hu Chengcheng.Shen Xiangqian锰锌铁氧体陶瓷纤维的制备与磁性能研究[期刊论文]-稀有金属材料与工程2008,37(z1)2.刘浩.王玺堂.张保国.王周福.Liu Hao.Wang Xitang.Zhang Baoguo.Wang Zhoufu CaO/MgO比对钙镁硅系陶瓷纤维晶化行为的影响[期刊论文]-稀有金属材料与工程2009,38(z2)1.ZHANG Yongzhi.WANG Xiao.LIU Wenchen Influences of Polyvinyl Alcohol on Synthesis of A95 Polycrystalline Alumina Fibers[期刊论文]-中国耐火材料（英文版） 2013(4)2.徐培珮.王新福.傅顺德可纺性锆溶胶的制备[期刊论文]-耐火材料 2011(4)3.康永.侯晓辉.罗红陶瓷纤维的制备技术进展及应用[期刊论文]-江苏陶瓷 2011(2)4.张永治.李红霞.孙加林.王金相溶胶黏度、氧化铝含量和旋转盘转速对凝胶纤维直径的影响[期刊论文]-工业炉2010(2)5.徐玲芳.陈文.周静.杨昌平锆钛酸铅镧压电陶瓷纤维的制备与性能[期刊论文]-硅酸盐学报 2010(3)6.薛金林.屈绍波.魏晓勇.徐卓.王斌科周期铁电畴压电陶瓷的制备和频谱特性研究[期刊论文]-无机材料学报2007(3)7.翟学良.胡亚伟.刘伟华合成陶瓷纤维材料的制备工艺及发展趋势[期刊论文]-无机盐工业 2006(5)8.吴燕杰.刘军.孟献丰.陈彩凤.骆英.唐利强PZT压电陶瓷纤维的制备及性能研究[期刊论文]-稀有金属材料与工程 2008(z1)9.董斌超.李新起.高朋召.肖汉宁SiO2-Al2O3复合体系溶胶-凝胶转变过程的动力学研究[期刊论文]-陶瓷科学与艺术 2007(6)10.卢斌.孙威压电复合材料的研究进展[期刊论文]-材料导报 2005(z2)11.曹凯.沈湘黔.王涛平.景茂祥溶胶凝胶法制备纳米结构氧化铝陶瓷纤维[期刊论文]-矿冶工程 2004(5)12.孙倩.邓红梅.杨平雄.褚君浩La掺杂对PZT薄膜光伏特性的影响[期刊论文]-红外与毫米波学报 2013(2)13.李建玲.卢爱青.陆中.李坤Bi掺杂PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备[期刊论文]-江苏工业学院学报2006(3)14.徐玲芳.陈文.周静1-3型压电复合材料研究现状与展望[期刊论文]-陶瓷学报 2006(1)15.姜文博.刘晓林.王星.陈建峰VSSP法制备PZT陶瓷长纤维及其表征[期刊论文]-功能材料 2011(1)16.刘永刚基于ANSYS的交叉指形电极压电纤维复合材料仿真研究[学位论文]硕士 200517.何慧敏.王雁冰.沈强.黄志雄.张联盟压电陶瓷/聚合物基新型阻尼复合材料的研究进展[期刊论文]-材料导报2008(1)18.徐玲芳1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料的制备、结构与性能研究[学位论文]博士 2006引用本文格式：李坤.李金华.李锦春.陈王丽华PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备和性能研究[期刊论文] -无机材料学报 2004(2)。
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。
由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。
1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。
因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。
制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。
本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。
主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。
实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。
研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为10.2Mrayl、317pC/N。
与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。
在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。
陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。
压电纤维复合材料的研究与应用
压电纤维复合材料的研究与应用XXX湖北工程学院湖北孝感432000摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。
关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用1引言压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。
这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。
20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。
由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。
目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。
例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。
与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。
2压电陶瓷纤维的制备方法2.1 溶胶-凝胶法制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。
然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。
溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。
Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械动能的材料。
它具有压电效应，即当施加电场时，会在陶瓷晶体中产生机械变形；反之，当施加机械应力时，会在陶瓷晶体中产生电荷积累。
这种特性使得压电陶瓷在传感器、声学器件、电子器件等领域得到广泛应用。
本文将介绍一些常见的压电陶瓷性能参数。
1.压电系数：压电系数是衡量压电材料性能的重要参数，用于描述材料在施加外部压力或电场时的响应情况。
它可分为压电应变系数d和压电电场系数g。
压电应变系数d用于描述压电陶瓷在施加电场时的形变情况，通常以毫米/伏作为单位。
压电电场系数g用于描述压电陶瓷在施加应力时产生的电荷量，通常以库伦/牛作为单位。
2.介电常数：介电常数是衡量材料在电场作用下电荷积累能力的参数。
压电陶瓷的介电常数通常以两个维度进行描述，分别为介电常数的相对静电介电常数（εr）和相对介电常数（εr）。
3.矫顽场和剩余极化：矫顽场是指施加电场或机械应力后，压电陶瓷尚未发生压电效应的最大电场或应力值。
剩余极化是指当外场消除时，材料中保留的极化强度。
这两个参数都能够反映压电陶瓷的稳定性和可逆性。
4.力常数和耦合系数：力常数是描述压电陶瓷的力-位移耦合效应的参数，标志着材料在施加电场时的机械响应程度。
耦合系数是力常数的相对值，是一种无量纲参数，常用于比较不同材料之间的压电性能。
5.介质损耗和压电品质因数：介质损耗是指压电陶瓷在工作频率下由于材料自身的损耗所导致的能量损失。
压电品质因数是衡量压电陶瓷在工作频率下损耗程度的参数，取决于介质损耗和介电常数等因素。
6.工作温度范围：工作温度范围是指压电陶瓷在正常工作条件下可以承受的温度范围。
这是一个重要的参数，因为一些压电材料在高温或低温环境中性能会发生变化。
以上是一些常见的压电陶瓷性能参数。
不同的应用场景对这些参数的需求也有所不同，因此在选用压电陶瓷材料时，需要根据具体的应用需求对这些性能参数进行综合考虑。
压电陶瓷的性能参数对材料的性能和应用特性有着重要的影响，因此对于压电材料的研究和理解是非常重要的。
1-3型压电陶瓷纤维复合材料性能的理论分析与实验研究
纤维材料采用 Ｐ Ｔ ５ 由于 电极层 忽略不计 ， Ｚ 一 Ｈ， 建立 有限元模型时， 电压直接加在压电陶瓷材料表面。分
析 单元 采用 ｌ 点 四面体单 元 Ｓ ＬＤ９ 。 型平 面 ０节 Ｏ Ｉ ８模 结构 尺寸 为 ５ｍｍ １ｍ ６ ｘ ５ ｍ。建立叉 指式 电极 Ｐ Ｃ传 Ｆ
图 ２ １ ３型 Ｐ Ｃ 传 感 元件 电场 示意 图 — Ｆ
Ｆ ｇ ２ Ｅｌｃ ｒ ｉ ｌ ｋ ｔ ｈ ｏ － ｄ Ｃ ｉ ． ｅ ｔｉ ｆ ｄ ｓ ｅ ｃ ｆ１ ３ ｍｏ ｅ ＰＦ ｃ ｅ
电场还是工作电场 ， 决定其结构的因素是分支电极结
构 、 电瓷纤 维直 径 和 纤维 间距 Ｌ。分支 电极 的 压
关键尺寸包括 ： 电极中心距 Ｐ 电极宽 ｗ。 、
２２ 有 限元建 模 ．
ｌ Ｅ ｓ
采用 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ软件 进 行有 限元分 析 时 ， 可假设 三
ｘＳ 盯 ＝
Ｅ ｊ
个条件 ， 忽略元件各 个 部分 极化 强度 和极化方向的 差别 ： ） （ 极化方向平行于 ｘ轴 ； ） １ （ 沿分支电极中心 ２
图１ — １ ３型 Ｐ Ｃ传 感元 件 结 构 示 意 图 Ｆ
Ｆｉ １ Ｓ ｒｃ ｕｅ ｏ － ｄ Ｃ ｅ ｓ ｒｅｅ ｎ ｇ． ｔｕ ｔｒ ｆ１ ３ ｍｏ ｅ ＰＦ ｓ ｎ ｏ ｌｍｅ ｔ
仿真分析 ，并通过实验验证了其独特的正交异性 ， 能
区分特定 方向应力波信 号 ，从而 为叉指式 ｌ３型 一
第 ３ 卷第 ４ ０ 期 ２０ 年 ｌ ０９ ２月
《 陶瓷学报》
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲＡＭ Ｉ ＣＳ
Ｖｏ１ ０ Ｎ ｏ． ．３ ． ４ Ｄｅ ． ０ ｃ ２Ｏ ９
压电材料的微观结构与性质研究
压电材料的微观结构与性质研究导语：压电材料作为一种具有特殊性质的材料，在科研领域引起了广泛的关注。
本文将从压电材料的微观结构、压电效应的原理以及应用前景等方面展开论述。
一、压电材料的微观结构压电材料是指在外电场或外力的作用下，可以发生电荷重分布而导致产生电势差的材料。
常见的压电材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电晶体等。
这些材料具有具有特殊的晶体结构，其中包括离子晶体结构和分子晶体结构。
离子晶体结构是指压电材料中离子在晶体中的排列方式。
以压电陶瓷为例，其晶体结构通常为ABO3型的钙钛矿结构。
在钙钛矿结构中，A位是大离子，B位是小离子，O位是氧离子。
当外力或外电场施加在晶体上时，离子的位移会导致电荷重分布，从而产生电势差。
这种离子晶体结构的特殊排列方式使压电陶瓷具有优异的压电性能。
分子晶体结构是指压电材料中分子的排列方式。
以压电聚合物为例，其分子结构通常由聚酰亚胺链和聚酯链组成。
在外力或外电场的作用下，聚酰亚胺链和聚酯链中的偶极矩会发生改变，从而导致电势差的产生。
这种分子晶体结构的特殊排列方式使压电聚合物具有良好的压电性能。
二、压电效应的原理压电效应是指压电材料在外力或外电场的作用下产生电势差的现象。
压电效应的原理可以通过晶体结构与电荷重分布之间的相互作用来解释。
当外力或外电场施加在压电材料上时，晶体结构中的离子或分子会发生位移或弯曲。
在这个过程中，电荷也会随之发生重分布，形成电势差。
这种电势差是由于压电材料中的偶极矩的改变所引起的。
偶极矩由正负电荷之间的距离和数目决定，在外力或外电场的作用下，偶极矩会发生变化，从而产生电势差。
三、压电材料的应用前景压电材料作为一种具有特殊性质的材料，具有广泛的应用前景。
以下是一些常见的应用领域：1. 传感器与执行器：压电材料可以作为传感器来测量压力、温度等物理量，并将其转化为电信号。
同时，压电材料也可以作为执行器来产生机械运动，实现声学和振动控制。
2. 能量收集与转换：压电材料可以将机械能转化为电能，并应用于能量收集和转换。
1-3型压电纤维复合材料薄壁梁-精品文档
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同时注意另外两个应变
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不为0。 (1)
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(1) 薄壁梁上任意一点位移表达式的推导 设A为薄壁梁截面中线上任意的一点，它在整体坐标 系中坐标为(x0,y0,z0)，在A点处有以改点为原点的流动 笛卡尔坐标系x-s-n，则薄壁梁截面上的任意一点B可以 用流动坐标系唯一确定，它在流动坐标系下的坐标为 (x0,s,n)。由以上可以推导出薄壁梁上任意点B的在整体 坐标系下的位移(u,v,w)与中面平动位移u0(x)、v0(x)和 w0(x)及其转角Φ x， Φ y和Φ z的关系为:
由于薄壁结构可以减轻结构自重，合理利用材料，并且 使得结构外形美观，所以工程中大量采用薄壁构件作为 承力部件。 其典型的应用领域有航空航天(机翼和直升机的旋翼是典 型的薄壁结构)、船舶、车辆、起重机和高层建筑等。薄 壁梁在工程中的使用，不可避免的会遇到振动、噪声和 结构优化等问题，由此也就引出了薄壁结构的振动和形 状控制等问题，特别是薄壁结构的扭转振动和扭转形状 控制。
采用虚拟操作面技术的飞机示意图
薄壁梁的研究进展
为了设计所需性能的含1-3型压电纤维复合材料的主动薄壁梁，就需要一 个可靠的，精度较高的和易于操作的主动梁分析模型。 Vasilan等研究了各向异性材料的薄壁梁自由扭转问题，其模型的主要特 点是假设结构受载时，剖面在固有平面内不变形，轴向应力和曲度为零； Gjelsvik A等结合圣维南原理假设闭室薄壁梁结构中面剪切变形的分布与 圣维南分布一致，建立了与开口剖面形式一致的闭室薄壁结构扭转综合 理论； Relifield等从能量原理推出了一个单闭室盒式薄壁梁模型，考虑了横向剪 切和约束扭转翘曲的影响； 邓采用高次翘曲理论对复合材料薄壁结构的限制扭转力学特性进行了分析 和研究。
1-3型压电复合材料设计分析
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基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析
基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析杜海波;秦雷;仲超;王丽坤【摘要】为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计.应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响.并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器.测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB.发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2019(037)002【总页数】7页(P386-392)【关键词】1-1-3型压电复合材料;换能器;声源级;发射电压响应;性能【作者】杜海波;秦雷;仲超;王丽坤【作者单位】北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学教育部现代测控技术重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学教育部现代测控技术重点实验室,北京 100192【正文语种】中文【中图分类】TB5641-3型压电复合材料由于其制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大等优势,被广泛应用于超声无损检测、海底测绘成像等领域[1-3]。
近年来,为进一步提高1-3型压电复合材料的性能,一方面,研究者试图通过改变复合材料中的主动性材料性能来提高复合材料性能。
如Wang等人应用0.32PIN-0.35PMN-0.33PT(PIMNT)制备了1-3型压电复合材料,压电单晶PIMNT体积百分比为60%时,厚度机械耦合系数可以达到84%[4]。
1_3型压电复合材料的制备及性能研究
第28卷 第6期2006年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.28 No.6 J un.2006123型压电复合材料的制备及性能研究徐玲芳,陈 文,周 静,李 君(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)摘 要: 采用塑性聚合物方法制备了掺Nb 的PZT (PZT 25A )陶瓷纤维,且通过排列陶瓷纤维,灌注环氧树脂的方法制备了123型压电复合材料。
研究了陶瓷纤维的结构,分析了123型压电复合材料密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化关系。
XRD 表明PZT 25A 陶瓷纤维为纯钙钛矿结构,SEM 显示纤维结构致密,直径为250μm 。
123型压电复合材料的密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化呈近似线性关系。
V c 为85%时123压电复合材料的ε3、tan δ、k p 、k t 及Q m 分别为638、1.74%、0.31、0.61及3.27,与PZT 25A 陶瓷相比较,123型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低。
关键词: 123压电复合材料; 环氧树脂; 压电性能; 铁电性能中图分类号: TB 332文献标志码: A 文章编号:167124431(2006)0620001203Preparation and Properties of Fine Scale 123PiezoelectricCeramic/Polymer CompositesX U L i ng 2f ang ,CH EN Wen ,ZHO U Ji ng ,L I J un(School of Materials Science and Technology ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract : This paper reported the fabrication and properties of fine scale 123composites consisting of unidirectional ordered PZT 25A piezoelectric ceramic fibers with diameter of 250μm in a polymer matrix of epoxy resin E 244.SEM micrograph showed fine microstructures.And regular arrangement of fibers was observed.The composites with high ceramic volume fraction showed excellent ferroelectrics characteristics.As ceramic volume fraction was 85%,a high coupling coefficient (k t )of up to 0.61,a low mechanical quality factor (Q m )of 3.27and relative permittivity (ε3)of 638were detected.K ey w ords : piezoelectric composites ; epoxy resin ; piezoelectricity ; ferroelectricity收稿日期:2006202228.基金项目:国家自然科学基金(50402014).作者简介:徐玲芳(19772),女,博士.E 2mail :lindahbaa @123型压电复合材料具有优良的压电各向异性、高的机电耦合系数、大的压电常数且具有易与人体或水等轻负载及背衬匹配的声阻抗等特点,适合于医疗超声和无损检测换能器的要求[1]。
压电陶瓷
研究1-3型压电复合材料的意义：单相压电陶瓷，例如PZT压电陶瓷，各向异性小，使得径向振动对厚度振动的干扰大；声阻抗大，不易与人体软组织及水的声阻抗相匹配；机械品质因素高，带宽窄；静水压灵敏度低等，从而使得单相压电陶瓷的应用受到一定的限制。
而压电高聚物具有密度低，柔性好、阻抗低，易于轻质负载匹配的特性，所以在水听器、生物医学等领域中获得很好的应用。
由于单一高聚物存在着压电常数低、各向异性和极化困难等不足。
由于压电高聚物材料克服了传统压电材料和单一高聚物的不足，具有压电性强、脆性低、密度低和介电系数小且易于制得复杂形状制品等显著优点。
（大部分高聚物在较高温度下易于软化且柔性较好的缘故）。
在工业上已有广泛应用。
以聚偏氟乙烯PVDF为代表的高分子压电材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，阻抗与空气、皮肤和水匹配，但其压电常数和机电耦合常数较小，工作温度范围窄。
压电复合材料的优点及1-3型压电复合材料介绍压电陶瓷/聚合物复合材料是两者按一定的联通方式、一定的体积或质量比和一定的空间几何分布复合而成的，能够成倍的提高复合材料的某些性能，并具有原成分没有的性能。
根据各项材料的联通方式的不同，可归为10种基本类型。
其中第一个数字代表功能相（陶瓷）的联通维数，第二个数字代表聚合物的联通维数。
聚合物基体的选择：众所周知，陶瓷材料一个致命的缺点就是其脆性比较大，因而极大地限制了其在工程结构上的应用。
而大多数高聚物具有流动性好、成型方便、易于加工，且能增强复合材料的粘结性、耐耐蚀性、并可根据所需形状进行设计等优点，聚合物的偶极距对压电性的产生具有重要作用。
【2】长期以来，很多研究者将高聚物基体仅作为粘结剂作用的连续相进行看待，对材料的整体的压电功能没有贡献。
近些年来，利用激光诱导压力脉冲通过对固体介质中的极化分布和空间电荷分布的测定，证实：聚合物基体对具有不同尺寸和形态的压电陶瓷相的取向、极化等具有很大的影响，并与样品制备与加工技术以及极化条件密切相关。
1_3型压电纤维复合材料的制备及性能研究
1 3型压电纤维复合材料的制备及性能研究T he Fabricat ions and Performance A nalysis of1 3PiezoelectricFibers Composite M aterial邱艳芹,刘 军,孟献丰,颜 平,骆 英(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013) QIU Yan qin,LIU Jun,M ENG Xian feng,YAN Ping,LUO Ying(Co lleg e of M ater ials Science and Engineering,Jiangsu U niversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China)摘要:用粉末 溶胶混合物挤出法制备了直径为300 m和400 m的P ZT压电纤维,研究了纤维的显微结构、密度和收缩率。
采用排列 浇铸法制备了纤维体积分数为25%的1 3型压电纤维复合材料,计算了材料的介电常数、机电耦合系数和机械品质因数。
结果表明:1 3型压电复合材料的K p小于压电陶瓷片,K t和K t/K p都大于陶瓷片;相同体积分数的压电纤维复合材料,直径为400 m的纤维制备的复合材料其 T,d33,K t和K t/K p都大于直径为300 m的纤维制备的复合材料。
关键词:1 3型复合材料;陶瓷纤维;粉末 溶胶挤出法;排列 浇铸法文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0045 04Abstract:PZT fiber s w hich diameters are about300 m and400 m respectively w er e pr epared by ex truding a mix ture of PZT pow der and PZT so l The micro structure,density and shrinkage of fibers w ere discussed theoretically 1 3piezo electric composite w hich contains about25percent ceramic phase w as prepared by arrang ing PZT fibers and casting epox y r esin Dielectric constant,mechanical electro nical co upling co efficient and mechanical quality factor w ere calculated T he r esults indicated that K p of1 3piezoelectric composite w as less than that of ceram ic flake,but K t and K t/K p w er e m ore than it;the T,d33,K t and K t/K p of co mposite material,w hose fibers diameter w ere400 m,w ere all more than tho se m ade from fibers of300 mKey words:1 3piezo electr ic composite;ceramic fibers;ex truding a mix ture of PZT pow der and sol;ar r anging PZT fibers and casting epoxy resin压电陶瓷与聚合物复合成的压电复合材料,兼有组成复合材料各组分的性能,因而克服了压电陶瓷和聚合物自身的不足,具有强压电性、低脆性、低密度和低介电常数等优点,且易制得大面积以及形状复杂的制品,是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。
1-3型压电复合材料温度稳定性研究
1-3型压电复合材料温度稳定性研究摘要：采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性，研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响，研究发现，PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相，剪切强度由39 MPa升高到52 MPa，热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K，材料力学和热学性能明显提高。
以PZT-4为压电相，采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料，采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响，结果表明，1-3型压电复合材料的fs为885 kHz，kt为0.65，材料的fs和kt在温度1550 ℃范围内变化率≤1%，表现出良好的温度稳定性。
关键词：聚醚砜；玻璃微珠；高强度聚焦超声；1-3型压电复合材料；温度稳定性0 引言当前，高强度聚焦超声技术已应用于良、恶性肿瘤无创治疗[1]。
聚焦超声外科治疗技术这一“改变游戏规则的技术”、“革命性的治疗技术”正在推动临床外科进入无创时代[2-4]。
换能器作为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的核心部件起着非常重要的作用。
传统的换能器用压电陶瓷材料制作，存在换能器带宽不够，电声转换效率低的问题，需要对换能器材料更新换代。
1-3型压电复合材料是公认的新型压电材料，因其具有较低的声阻抗、较高的耦合系数、较低的机械品质因数等特性成为水听器，医学成像，无损检测等方面换能器的重要材料[5]。
但该材料在高强度聚焦超声换能器方面的应用报道还不多，主要原因是高强度聚焦超声换能器需要大功率的发射材料，与接受型的1-3型压电复合材料相比，更需解决材料的热稳定性问题。
1-3型压电复合材料是一维的陶瓷相与三维的环氧聚合相的复合，具体结构如图1所示。
压电相保持材料的压电效应，环氧相改善材料的振动模态，两相复合后，材料在机电耦合系数kt，机械品质因数Qm和阻抗Z均有很好的改善，因此，大功率的1-3压电复合材料是新一代高强度聚焦超声换能器的关键核心材料。
纤维-陶瓷复合板抗弹机理及PD理论分析
纤维-陶瓷复合板抗弹机理及PD理论分析
郭一谚
【期刊名称】《中国科技纵横》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】纤维—陶瓷复合靶板能够满足防护轻量化的需求,是目前军、警、航天等各类防护中轻质防护材料研究和使用的趋势。
基于此,探讨防护结构研制中常用到的抗弹用陶瓷的特点、纤维类型和力学性能以及陶瓷和纤维各自在抗弹过程中的作用形式,应用近场动力学理论的微势能、耗散应变能推论复合结构的总能量耗散和损伤形成之间的关系,得到与弹靶作用相关的近场动力学模型运动轨迹,并通过对比抗弹机能的实验结果与近场动力学解析结果,证实纤维约束包覆陶瓷材料可以提升整体结构的抗弹效应,能充分发挥陶瓷的抗弹作用。
【总页数】4页(P70-73)
【作者】郭一谚
【作者单位】中国兵器集团第52研究所烟台事业部
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
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1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究的开题报告
1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究的开题报告一、选题背景及意义压电复合材料是一种具有压电性质和复合材料结构的功能材料。
在目前的科学研究和工业应用中，压电复合材料具有广泛的应用前景。
以压电驱动器、压电传感器及电声换能器等为代表的研究方向已引起了广泛研究兴趣。
目前有关压电复合材料的研究主要集中在压电陶瓷、聚合物和聚合物复合材料等方面。
然而，由于压电陶瓷存在易脆、重量大等问题，聚合物利用温度和湿度的变化易造成形变和损伤。
因此，采用压电陶瓷和聚合物合成的复合材料，结合优点，克服缺点，可以用于开发更具实用性和良好性能的压电复合材料。
本课题选用1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究，以期设计出在结构安装、材料工艺等方面综合优化、可靠性更高、制备成本更低、特种功能更强的新形态压电复合材料，以满足工业应用需求。
二、研究内容和主要任务1. 以PZT陶瓷为压电相，选用树脂型复合材料为基质相，研究1-3型系列压电复合材料的制备工艺。
包括制备材料的搅拌工艺、压力、温度等制备参数的控制等。
2. 对1-3型系列压电复合材料的性能进行研究。
包括研究材料的压电性能、介电性能、热学性质、机械性能等。
3. 对制备出来的1-3型系列压电复合材料进行应用研究。
探究制备的复合材料在压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用。
三、研究方法1. 采用化学溶胶-凝胶法，制备高纯度PZT粉体。
2. 设计出合理的复合材料配方，选用自主研发的树脂型复合材料为基质相，制备出1-3型系列压电复合材料。
3. 采用压电性能测试仪、介电性能测试仪、热重分析仪、拉伸试验机等设备，测试1-3型系列压电复合材料的性能。
4. 借助有限元模拟，探究1-3型系列压电复合材料的力学行为及其在应用研究中的效果。
四、预期结果及意义本课题将制备出1-3型系列压电复合材料，并对其压电性能、热学性能、机械性能等方面进行研究。
同时，在复合材料的应用研究中，将对压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用进行研究。