PZT基复合气凝胶的成分与结构调控研究
发布时间：2021-08-25 17:38
锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3,PZT)气凝胶作为一种功能气凝胶,具有将机械信号转换为电信号的能力。其极低的密度能够较好地与水的声阻抗相匹配,其较高的静水压品质因数,作为水声换能器的压电材料可提高其灵敏度和分辨率。然而,传统工艺制备的PZT气凝胶存在诸如原材料价格昂贵、工艺流程复杂及制备周期漫长等局限性,严重制约了PZT气凝胶的研究和应用。为此,本论文进行了PZT气凝胶的简单快速制备方法、孔径控制、气凝胶组分、PZT气凝胶有机无机复合多层涂层的制备方法以及多层涂层的力学、压电与介电性能等研究,获得以下主要结论:第一,PZT气凝胶有关凝胶老化工艺的改进研究。使用廉价原材料和简单工艺制备PZT湿凝胶,使用蒸馏除水工艺缩短了溶剂置换时间,研究老化液对PZT气凝胶成分及孔径分布的调控,并研究其孔径分布对PZT湿凝胶透光性的关系。在老化液中透光性较强的PZT湿凝胶经二氧化碳超临界干燥后所得的PZT气凝胶孔径较小,且分布较为集中,但不同老化液未改变所制备PZT气凝胶基本成孔方式、相结构及其中的有机基团。第二,尝试对PZT气凝...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气凝胶结构示意图
电子科技大学硕士学位论文4经烧结或共沉淀所制备的PZT陶瓷为多晶材料，由于在其外部施加压力时，其内部的极化方向并不统一，在其内部产生各个方向的电畴，使其所产生的电荷相互抵消，在宏观上陶瓷表面并无电荷产生，因此并无压电效应。必须将其置于强直流电场中，使PZT陶瓷内部的电畴按照电场线方向重新取向，陶瓷内部电畴方向一致时，才具有压电效应，此过程即为极化。图1-2钙钛矿结构示意图PZT压电陶瓷的正压电及逆压电效应以及优异的压电性能使其作为机电换能材料在超声换能及传感器等方面发挥着重要作用。特别地，PZT压电陶瓷作为水声换能器的关键材料，在海底资源勘探、潜艇导航方面有着重要作用。1.2.2PZT气凝胶的研究意义随着陆地资源如石油、天然气、煤炭等不可再生资源持续开采及枯竭，海洋资源越来越受到重视，且海洋面积超过地球总面积的70%，海底油田、可燃冰等化石能源及生物资源十分丰富，所以未来对海洋资源尤其是深海资源的争夺，将会更加激烈。不同于陆地资源，海洋资源的开采对技术要求较高，故未来对深海资源的争夺竞争更是科技的竞争和经济实力的竞争，我国虽然为世界第二大经济体，但科技水平距世界先进还有一定差距，所以发展深海资源开发技术是十分重要的。在水中，声波是目前已知唯一有效的远距离信息传播载体，在水中发射及接受声波的设备是声纳系统，声纳系统的核心器件为水声换能器。水声换能器的作用是在水下以特定的频率发出并不失真地接收声信号，以此来探测四周的物体，相当于雷达在空中的作用。因此，在上述迫切的需求背景下，水声换能器技术的发展是声纳系统取得重大突破的前提。作为水声换能器，尤其是水听器关键的机电转换材料，PZT压电陶瓷存在着声阻抗匹配的问题。声阻抗率的计算公式如式（1-1）所示?
c为声在介质中的传播速度。由上式可知，声阻抗率与声在介质中的转播速度与该介质的密度呈正比。PZT压电陶瓷如PZT4、PZT5及PZT8系列压电陶瓷的密度约为7.5g/cm3，声波在此介质中的传播速度大于2800m/s，远大于海水的密度（约1.02~1.07g/cm3）和声在海水中的速度（约1530m/s），所以PZT陶瓷很难与水的声阻抗相匹配，在换能器压电材料与水的界面处，声波具有较大的损失，水听器的灵敏度、分辨率等受到严重限制。为了解决上述问题，声阻抗匹配层的概念应运而生，声阻抗匹配层结构多样，如多层匹配层和渐变匹配层等[73-75]。图1-3所示为常见的匹配层示意图。匹配层能使声波经过水→匹配层→压电陶瓷，避免声阻抗差距悬殊的物质直接接触，减少声波损失。然而，声阻抗匹配层结构复杂，设计成本较高[76]。图1-3水声换能器声阻抗匹配层示意图除了声阻抗匹配因素外，静水压品质因数HFOM也是衡量压电材料的关键因素。静水压品质因数的计算公式[77]如式（1-2）所示：HFOM=dh×gh=dh2/ε(1-2)其中，dh=d33+2d31，d33与d31为取向不同的压电系数，PZT压电陶瓷的d33与d31取值符号相反；gh为静水压电压常数，gh=dh/ε，其中ε为PZT压电陶瓷的介电常数。由于d33与d31符号相反，致密的PZT压电陶瓷的介电常数ε较大，其HFOM值较低。因此，声阻抗匹配层无法从根本上解决声阻抗匹配和静水压品质因数的问题，无法大幅提高水听器的灵敏度与分辨率。多孔压电陶瓷可从压电材料本身改善上述问题。目前，PZT多孔陶瓷的制备方法主要有泡沫塑料模板法、发泡法、造孔剂法、固相烧结法及溶胶-凝胶法等[78]，其中，制备三维多孔陶瓷的方法主要为发泡法或造孔剂法[79]，即将PZT陶瓷粉体
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiO2气凝胶光催化剂的制备及响应面优化的研究[J]. 夏至,张雪. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]SiO2气凝胶的制备及其应用[J]. 胡小冬,姜希猛,崔明现,贾曦,张东. 新材料产业. 2019(10)
[3]多孔钛酸钡陶瓷制备及其增强的压电灵敏性[J]. 景奇,李晓娟. 物理学报. 2019(05)
[4]气凝胶纳米材料的研究进展[J]. 沈晓冬,吴晓栋,孔勇,崔升. 中国材料进展. 2018(09)
[5]钕负载二氧化钛-炭杂化气凝胶的制备及其光催化性能（英文）[J]. 邵霞,潘峰,郑励,张睿,张文雅. 新型炭材料. 2018(02)
[6]二氧化钛纳米管/硅气凝胶复合材料制备及其光吸收性能研究[J]. 李红伟,曹亚华,饶欣远,张海岳. 无机盐工业. 2017(05)
[7]耐高温氧化铝气凝胶研究进展[J]. 温培刚,巢雄宇,袁武华,顾立. 材料导报. 2016(15)
[8]疏水二氧化硅气凝胶的常压制备及性能研究[J]. 任富建,杨万吉,张蕊,赵耀耀. 无机盐工业. 2015(10)
[9]超高比表面积氮掺杂碳气凝胶的制备及其电化学性能[J]. 常丽娟,袁磊,付志兵,韦建军,唐永建,王朝阳. 强激光与粒子束. 2013(10)
[10]TiO2-SiO2复合气凝胶的常压干燥制备及光催化降解含油污水活性[J]. 李兴旺,赵海雷,吕鹏鹏,朱晓辉,姚可夫,徐利华. 北京科技大学学报. 2013(05)
硕士论文
[1]PZT基压电复合气凝胶的设计制备及表征[D]. 黄雄芳.电子科技大学 2019
本文编号：3362562
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气凝胶结构示意图
电子科技大学硕士学位论文4经烧结或共沉淀所制备的PZT陶瓷为多晶材料，由于在其外部施加压力时，其内部的极化方向并不统一，在其内部产生各个方向的电畴，使其所产生的电荷相互抵消，在宏观上陶瓷表面并无电荷产生，因此并无压电效应。必须将其置于强直流电场中，使PZT陶瓷内部的电畴按照电场线方向重新取向，陶瓷内部电畴方向一致时，才具有压电效应，此过程即为极化。图1-2钙钛矿结构示意图PZT压电陶瓷的正压电及逆压电效应以及优异的压电性能使其作为机电换能材料在超声换能及传感器等方面发挥着重要作用。特别地，PZT压电陶瓷作为水声换能器的关键材料，在海底资源勘探、潜艇导航方面有着重要作用。1.2.2PZT气凝胶的研究意义随着陆地资源如石油、天然气、煤炭等不可再生资源持续开采及枯竭，海洋资源越来越受到重视，且海洋面积超过地球总面积的70%，海底油田、可燃冰等化石能源及生物资源十分丰富，所以未来对海洋资源尤其是深海资源的争夺，将会更加激烈。不同于陆地资源，海洋资源的开采对技术要求较高，故未来对深海资源的争夺竞争更是科技的竞争和经济实力的竞争，我国虽然为世界第二大经济体，但科技水平距世界先进还有一定差距，所以发展深海资源开发技术是十分重要的。在水中，声波是目前已知唯一有效的远距离信息传播载体，在水中发射及接受声波的设备是声纳系统，声纳系统的核心器件为水声换能器。水声换能器的作用是在水下以特定的频率发出并不失真地接收声信号，以此来探测四周的物体，相当于雷达在空中的作用。因此，在上述迫切的需求背景下，水声换能器技术的发展是声纳系统取得重大突破的前提。作为水声换能器，尤其是水听器关键的机电转换材料，PZT压电陶瓷存在着声阻抗匹配的问题。声阻抗率的计算公式如式（1-1）所示?
c为声在介质中的传播速度。由上式可知，声阻抗率与声在介质中的转播速度与该介质的密度呈正比。PZT压电陶瓷如PZT4、PZT5及PZT8系列压电陶瓷的密度约为7.5g/cm3，声波在此介质中的传播速度大于2800m/s，远大于海水的密度（约1.02~1.07g/cm3）和声在海水中的速度（约1530m/s），所以PZT陶瓷很难与水的声阻抗相匹配，在换能器压电材料与水的界面处，声波具有较大的损失，水听器的灵敏度、分辨率等受到严重限制。为了解决上述问题，声阻抗匹配层的概念应运而生，声阻抗匹配层结构多样，如多层匹配层和渐变匹配层等[73-75]。图1-3所示为常见的匹配层示意图。匹配层能使声波经过水→匹配层→压电陶瓷，避免声阻抗差距悬殊的物质直接接触，减少声波损失。然而，声阻抗匹配层结构复杂，设计成本较高[76]。图1-3水声换能器声阻抗匹配层示意图除了声阻抗匹配因素外，静水压品质因数HFOM也是衡量压电材料的关键因素。静水压品质因数的计算公式[77]如式（1-2）所示：HFOM=dh×gh=dh2/ε(1-2)其中，dh=d33+2d31，d33与d31为取向不同的压电系数，PZT压电陶瓷的d33与d31取值符号相反；gh为静水压电压常数，gh=dh/ε，其中ε为PZT压电陶瓷的介电常数。由于d33与d31符号相反，致密的PZT压电陶瓷的介电常数ε较大，其HFOM值较低。因此，声阻抗匹配层无法从根本上解决声阻抗匹配和静水压品质因数的问题，无法大幅提高水听器的灵敏度与分辨率。多孔压电陶瓷可从压电材料本身改善上述问题。目前，PZT多孔陶瓷的制备方法主要有泡沫塑料模板法、发泡法、造孔剂法、固相烧结法及溶胶-凝胶法等[78]，其中，制备三维多孔陶瓷的方法主要为发泡法或造孔剂法[79]，即将PZT陶瓷粉体
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiO2气凝胶光催化剂的制备及响应面优化的研究[J]. 夏至,张雪. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]SiO2气凝胶的制备及其应用[J]. 胡小冬,姜希猛,崔明现,贾曦,张东. 新材料产业. 2019(10)
[3]多孔钛酸钡陶瓷制备及其增强的压电灵敏性[J]. 景奇,李晓娟. 物理学报. 2019(05)
[4]气凝胶纳米材料的研究进展[J]. 沈晓冬,吴晓栋,孔勇,崔升. 中国材料进展. 2018(09)
[5]钕负载二氧化钛-炭杂化气凝胶的制备及其光催化性能（英文）[J]. 邵霞,潘峰,郑励,张睿,张文雅. 新型炭材料. 2018(02)
[6]二氧化钛纳米管/硅气凝胶复合材料制备及其光吸收性能研究[J]. 李红伟,曹亚华,饶欣远,张海岳. 无机盐工业. 2017(05)
[7]耐高温氧化铝气凝胶研究进展[J]. 温培刚,巢雄宇,袁武华,顾立. 材料导报. 2016(15)
[8]疏水二氧化硅气凝胶的常压制备及性能研究[J]. 任富建,杨万吉,张蕊,赵耀耀. 无机盐工业. 2015(10)
[9]超高比表面积氮掺杂碳气凝胶的制备及其电化学性能[J]. 常丽娟,袁磊,付志兵,韦建军,唐永建,王朝阳. 强激光与粒子束. 2013(10)
[10]TiO2-SiO2复合气凝胶的常压干燥制备及光催化降解含油污水活性[J]. 李兴旺,赵海雷,吕鹏鹏,朱晓辉,姚可夫,徐利华. 北京科技大学学报. 2013(05)
硕士论文
[1]PZT基压电复合气凝胶的设计制备及表征[D]. 黄雄芳.电子科技大学 2019
本文编号：3362562
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