PZT压电陶瓷老化性能及PLZT透明陶瓷光致应变研究

发布时间：2017-04-13 15:18

  本文关键词：PZT压电陶瓷老化性能及PLZT透明陶瓷光致应变研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锆钛酸铅(PZT)作为一种压电性能优良的压电陶瓷,已经应用于航空、航天等领域,如飞机发动机的压电点火器等。但是,在实际使用过程中,压电陶瓷零部件的压电性能在一定程度上不能够满足使用要求,压电老化导致试样在使用过程中老化开裂,本文目的在于提高PZT压电陶瓷的压电性能,并且改善其老化性能。另外,锆钛酸镧铅(PLZT)作为一种透明的光电功能陶瓷,既具有铁电性和压电性,又具有优异的光致应变性能,可以实现光能-电能-机械能的一体化,在光学微调器、行星探测领域等都有重要的应用前景。PLZT透明陶瓷的制备工艺的探索以及光致应变性能的研究变得极其重要。本文选取MPB附近的Pb1.05(Zr0.52Ti0.48)O3为研究对象,探索高致密度的PZT压电陶瓷的制备工艺,包括粉体的制备、试样的成型及烧结工艺。试样采用共沉淀法制备PZT粉体,通过X射线衍射确定粉体的最佳预烧温度为700℃。通过研究PVA的添加量、排胶工艺对试样致密度的影响,确定最佳成型工艺为:PVA添加量为5wt%,以1℃/min的速度升温到300℃,然后以0.5℃/min的速度缓慢升温到500℃,保温1h后随炉冷却。通过研究烧结温度、保温时间、包埋方式、烧结方式对试样致密度及性能的影响,确定PZT陶瓷的最佳烧结工艺:采用通氧气氛烧结方式,以试样下面铺Zr O2上面由PZT粉体覆盖为包埋方式,在1150℃条件下保温2h。最终试样获得最佳综合性能:致密度为98.65%,εr=2019,tanδ=1.48%,d33=434p C/N,Pr=22.49μC/cm2。针对PZT压电陶瓷老化开裂的问题,本文选择以PZT为基,Sr2+、Ba2+进行A位掺杂,Nb5+进行B位掺杂,提高PZT的压电性能,改善老化性能,并探索了老化规律。研究表明:随着Sr2+含量的增加,MPB逐渐向四方相移动,Sr2+掺杂量为5wt%时,获得最佳综合性能:εr=1609,tanδ=1.84%,Pr=16.5μC/cm2,Ec=34.9k V/cm,d33=440.8p C/N;随着Ba2+含量的增加,MPB逐渐向三方相移动,Ba2+掺杂量为6wt%时,εr=1536,tanδ=2.01%,Pr=17.5μC/cm2,Ec=36.2k V/cm,d33=465.9p C/N。压电陶瓷压电常数的老化规律为:10天内直线型老化规律、11-60天自然对数型老化规律、61-120天渐近直线型老化规律。针对PLZT透明陶瓷制备困难的问题,本文从粉体制备、试样烧结工艺两个方面进行探索。通过X射线衍射、粒度、粉体分散性分析,确定溶胶-凝胶法为PLZT粉体的最佳制备工艺。分别采用气氛烧结、SPS烧结制备PLZT陶瓷。气氛烧结PLZT试样致密度达到97.8%,在可见光下不透明,综合性能为:εr=1623,tanδ=1.21%,Pr=25.13μC/cm2,Ec=37.24k V/cm,d33=460.8p C/N;SPS烧结试样致密度达99.5%,试样在可见光下透明,综合性能为:εr=1813,tanδ=0.85%,Pr=34.72μC/cm2,Ec=32.16k V/cm,d33=476.6p C/N。通过研究在相同光照强度下极化方向和非极化方向上的光致应变发现,极化方向上的光致应变大于非极化方向上的光致应变。对比气氛烧结、SPS烧结PLZT试样在相同光照强度下的光致应变发现,SPS烧结的PLZT试样应变为气氛烧结试样的1.4倍。
【关键词】：PZT压电陶瓷 压电性能 老化规律 PLZT透明陶瓷 光致应变
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-34
• 1.1 课题背景11
• 1.2 压电陶瓷的概述11-19
• 1.2.1 压电陶瓷的压电效应11-13
• 1.2.2 压电陶瓷的研究热点13-19
• 1.3 PZT压电陶瓷19-23
• 1.3.1 PZT压电陶瓷的掺杂改性19-21
• 1.3.2 PZT压电陶瓷的老化性能21-23
• 1.4 PLZT光电功能陶瓷23-27
• 1.4.1 PLZT固溶体系23-25
• 1.4.2 PLZT透明陶瓷的物理特性25-26
• 1.4.3 PLZT光电功能陶瓷的制备26
• 1.4.4 PLZT光电功能陶瓷的应用26-27
• 1.5 压电陶瓷的制备27-32
• 1.5.1 粉体的合成27-30
• 1.5.2 烧结工艺30-32
• 1.6 主要研究内容32-34
• 第2章 试验材料及方法34-47
• 2.1 引言34
• 2.2 试验材料及仪器34-35
• 2.2.1 试验材料34-35
• 2.2.2 试验仪器35
• 2.3 试验方法35-42
• 2.3.1 粉体的合成36-38
• 2.3.2 球磨38
• 2.3.3 造粒及成型38
• 2.3.4 排胶38-39
• 2.3.5 烧结39-40
• 2.3.6 被银40-41
• 2.3.7 极化41-42
• 2.4 材料的表征42-47
• 2.4.1 密度测试42
• 2.4.2 物相分析42-43
• 2.4.3 形貌分析43
• 2.4.4 介电性能测试43
• 2.4.5 铁电性能测试43-44
• 2.4.6 压电性能测试44-45
• 2.4.7 光电性能测试45-47
• 第3章PZT压电陶瓷的制备工艺研究47-65
• 3.1 引言47
• 3.2 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 粉体的合成工艺研究47-49
• 3.3 PZT陶瓷成型工艺研究49-52
• 3.3.1 研究PVA添加量对陶瓷致密度的影响49-50
• 3.3.2 研究排胶工艺对陶瓷致密度的影响50-52
• 3.4 PZT陶瓷烧结工艺的研究52-63
• 3.4.1 烧结温度的确定53-60
• 3.4.2 保温时间的确定60-61
• 3.4.3 研究包埋方式对试样致密度的影响61-62
• 3.4.4 烧结方式的确定62-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第4章PZT压电陶瓷的掺杂改性研究65-84
• 4.1 引言65
• 4.2 研究体系成分设计65-66
• 4.3 结果与讨论66-82
• 4.3.1 相结构66-69
• 4.3.2 显微组织69-71
• 4.3.3 掺杂对PZT陶瓷介电性能的影响71-73
• 4.3.4 掺杂对PZT陶瓷铁电性能的影响73-76
• 4.3.5 掺杂对PZT陶瓷老化性能的影响76-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第5章PLZT透明光电陶瓷的研究84-97
• 5.1 引言84
• 5.2 PLZT成分设计及烧结84-86
• 5.2.1 气氛烧结84-85
• 5.2.2 放电等离子烧结85-86
• 5.3 结果与讨论86-96
• 5.3.1 相结构86-88
• 5.3.2 烧结特性88-90
• 5.3.3 介电性能90-91
• 5.3.4 铁电性能91-93
• 5.3.5 压电性能93
• 5.3.6 光电性能93-96
• 5.4 本章小结96-97
• 结论97-99
• 参考文献99-107
• 致谢107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 李涛,彭同江;锆钛酸铅压电陶瓷的研究进展与发展动态[J];湘南学院学报;2004年02期

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1 文忠;低温烧结PZT压电陶瓷研究[D];电子科技大学;2012年

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本文编号：303877