铌镁酸铅智能压电陶瓷涂层的制备与性能研究

发布时间：2017-08-08 01:06

  本文关键词：铌镁酸铅智能压电陶瓷涂层的制备与性能研究

  更多相关文章： PMN-PZT压电涂层 正交优化 组织结构 力学性能 电学性能

【摘要】：压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换的材料,由于其良好的物理化学性能,广泛应用在振荡器、传感器以及各类水声、超声等方面,遍及日常生活的方方面面。因此,深入开展对等离子喷涂压电陶瓷涂层的研究,将对挖掘其性能、扩展其使用范围有重要的理论意义和实用价值。本文通过采用等离子喷涂(APS)技术在45#钢基体表面制备了铌镁酸铅-锆钛酸铅复合陶瓷涂层(PMN-PZT涂层),利用正交优化选取了最佳的喷涂工艺参数。借助XRD、SEM、XPS、TEM、三位形貌仪、显微硬度测试仪、纳米硬度仪、电滞回线测量仪、d33准静态测量仪以及介电常数测量系统等多种检测手段和分析方法表征了涂层的成分、组织结构、力学性能、电学性能。通过第一性原理方法研究了计算了具有相似结构的压电陶瓷的性能。最终的研究结果表明:(1)等离子制备PMN-PZT压电陶瓷涂层的最佳工艺参数为喷涂距离90mm、喷涂电流400A、喷涂电压85V、主气流量3.0m3/h,得到了涂层与基体的结合强度为53MPa,孔隙率为2.75%的PMN-PZT智能压电陶瓷涂层。(2)涂层表面有一定粗糙度,内部结构是由含铅量多的明亮区域以及含铅量少的较暗区域组成,这是由喷涂过程的受冷不均匀造成的。涂层平均硬度为427HV0.025,材料的平均弹性模量和平均纳米硬度分别为106.718GPa和6.811GPa。(3)PMN-PZT涂层的介电性能稳定较稳定,随着频率的增加,介电常数值降低,居里温度升高。极化电压为3kV/mm,极化时间为28min,极化温度为140℃为PMN-PZT涂层的最佳极化条件,此时PMN-PZT涂层压电常数d33最高可达27pC/N。材料的自振频率为325 kHz。由以上结论,可以判断采用等离子喷涂方法制备PMN-PZT智能压电陶瓷涂层是可行的,利用压电涂层对零件运行过程中的服役状态进行实时监测具有十分广阔的发展前景,但需要更加深入的研究。
【关键词】：PMN-PZT压电涂层 正交优化 组织结构 力学性能 电学性能
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景11
• 1.2 压电陶瓷的发展及前景11-15
• 1.2.1 压电陶瓷的性能及改性研究11-14
• 1.2.1.1 无铅压电陶瓷的性能及改性研究11-12
• 1.2.1.2 含铅压电陶瓷的性能及改性研究12-14
• 1.2.2 压电陶瓷在喷涂方面的应用14-15
• 1.3 等离子喷涂技术15
• 1.4 课题意义、内容和创新点15-19
• 1.4.1 课题来源15-16
• 1.4.2 课题研究的意义16
• 1.4.3 课题研究的内容16-17
• 1.4.4 论文主要创新点17-19
• 第二章 试验方法和设备19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 PMN-PZT涂层制备19-20
• 2.2.1 粉末处理方法及设备19-20
• 2.2.2 涂层制备方法及设备20
• 2.3 涂层的组织结构和力学性能测试20-23
• 2.3.1 微观形貌分析20-21
• 2.3.2 涂层的孔隙率测试21
• 2.3.3 涂层的透射分析21
• 2.3.4 涂层的硬度测试21-23
• 2.3.5 涂层的结合强度测试23
• 2.4 涂层的相结构和成分分析23-24
• 2.4.1 涂层材料的相结构23-24
• 2.4.2 X射线光电子能谱分析24
• 2.5 涂层的电学性能测试24-26
• 2.5.1 样品的被银24
• 2.5.2 电滞回线的测量24-25
• 2.5.3 极化实验25
• 2.5.4 电学信号的测量25
• 2.5.5 介电性能测试25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 等离子喷涂PMN-PZT涂层的参数优化27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 喷涂材料选取及处理27-28
• 3.2.1 喷涂基体的选取和处理27
• 3.2.2 喷涂粉末的选取和处理27-28
• 3.3 正交设计工艺参数优化28-38
• 3.3.1 正交试验设计28-29
• 3.3.2 正交试验结果分析及参数优化29-37
• 3.3.2.1 结合强度的测定及结果29-30
• 3.3.2.2 涂层孔隙率的测定及结果30-37
• 3.3.3 追加试验和对涂层的机理分析37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 PMN-PZT涂层的结构和力学性能分析39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 PMN-PZT涂层的结构39-48
• 4.2.1 涂层的相结构39-42
• 4.2.1.1 涂层的XRD分析39-40
• 4.2.1.2 涂层的XPS分析40-42
• 4.2.2 涂层的组织结构42-48
• 4.2.2.1 涂层的微观形貌分析42-44
• 4.2.2.2 PMN-PZT涂层孔隙率44-46
• 4.2.2.3 PMN-PZT涂层的透射（TEM）分析46-48
• 4.3 PMN-PZT涂层的力学性能48-49
• 4.3.1 涂层的显微硬度48
• 4.3.2 涂层的纳米硬度和弹性模量48-49
• 4.3.3 结合强度49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 PMN-PZT涂层电学性能研究51-57
• 5.1 涂层的电滞回线测量51
• 5.2 涂层的压电信号分析51-53
• 5.3 涂层的介电性能分析53-55
• 5.3.1 涂层的介电温谱53-54
• 5.3.2 涂层的介电频谱54-55
• 5.4 涂层的其他电学性能分析55-56
• 5.4.1 涂层的阻抗-相位角频率谱55
• 5.4.2 涂层的电容-电感频率谱55-56
• 5.5 本章小结56-57
• 第六章 第一性原理计算分析57-65
• 6.1 引言57
• 6.2 实验方法57-58
• 6.3 结果与分析58-63
• 6.3.1 能带结构58-59
• 6.3.2 价电荷密度59-60
• 6.3.3 电子态密度60
• 6.3.4 光学性质60-62
• 6.3.5 热力学性质62-63
• 6.4 本章小结63-65
• 第七章 结论与展望65-67
• 7.1 主要结论65-66
• 7.2 展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士期间取得的成果71-73
• 致谢73-74

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孙盛扬;陶瓷涂层制品的展望[J];天津化工;1988年01期

2 ;日本开发出灭菌性陶瓷涂层[J];江苏化工;1999年05期

3 谭澄宇,郑子樵,夏长清;新型高温陶瓷涂层的制备工艺[J];新技术新工艺;2002年07期

4 卢屹东,亢世江,丁敏,陈学广;金属表面陶瓷涂层的技术特点及应用[J];焊接技术;2005年02期

5 李大勇,李传校,王大飞;金属表面原位摩擦自修复陶瓷涂层的机理研究[J];山东化工;2005年03期

6 程西云;石磊;;稀土对陶瓷涂层的改性作用研究现状及发展趋势[J];润滑与密封;2006年01期

7 王海声;李德远;吴汪洋;;陶瓷涂层技术在舰船上的应用[J];表面工程资讯;2011年01期

8 林雪;郝建军;刘丽愉;;生物活性陶瓷涂层材料的制备及研究进展[J];电镀与精饰;2012年04期

9 高安;;日本科技厅开发能耐1000℃的陶瓷涂层材料[J];化工新型材料;1984年07期

10 孙家枢;用于发动机的陶瓷涂层[J];材料保护;1988年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 樊智辉;陈金龙;刘倩;;基底/陶瓷涂层力学行为的研究[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年

2 李桂林;;陶瓷涂层材料及其应用[A];2006年中国西安热喷涂在工业中应用技术交流研讨会论文集[C];2006年

3 陈晓明;韩庆荣;许传波;黄志红;;生物活性陶瓷涂层的制备研究[A];2000年材料科学与工程新进展（上）——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年

4 田伟;杨勇;王超会;王铀;;高强韧耐磨纳米陶瓷涂层的制备及应用[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年

5 童兆和;丁传贤;严东生;;45~#钢与陶瓷涂层对磨时磨损行为研究[A];第五届全国摩擦学学术会议论文集（上册）[C];1992年

6 魏莉;孙宇;;铝基无机阻燃陶瓷涂层的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第6分册）[C];2010年

7 喇培清;薛群基;刘维民;杨军;;燃烧合成熔化方法低温制备W_2C陶瓷涂层的研究[A];第七届全国摩擦学大会论文集（二）[C];2002年

8 熊星云;;低合金钢坯加热高温陶瓷涂层的研究[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年

9 张翼飞;赵忠民;尹玉军;张龙;;1Cr18Ni9Ti与TiC-TiB_2熔化连接及其陶瓷涂层制备研究[A];第十七届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2012年

10 赵世海;蒋秀明;淮旭国;;高性能陶瓷涂层在国内纺织机械中的应用[A];第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛论文集（一）[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 本报见习记者 白雪;陶瓷涂层：小技术大市场[N];中国经济导报;2012年

2 黄锦滨;热喷涂技术及陶瓷涂层的应用[N];中国石油报;2005年

3 杨兆林;完全陶瓷涂层结晶器开发与应用[N];中国冶金报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 高雪松;基于激光熔覆技术制备高结合强度陶瓷涂层的基础研究[D];南京航空航天大学;2011年

2 魏晨光;陶瓷涂层物理性能评价的相对法模型及验证[D];中国建筑材料科学研究总院;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李厚义;微复合Fe-Al/Al_2O_3陶瓷涂层的制备与性能研究[D];山东大学;2015年

2 石伟丽;铌镁酸铅智能压电陶瓷涂层的制备与性能研究[D];河北工业大学;2015年

3 庞日铨;铝合金表面复合阻燃陶瓷涂层的制备[D];沈阳理工大学;2009年

4 潘锐;氧化铈对三元硼化物陶瓷涂层摩擦磨损性能影响[D];辽宁工程技术大学;2012年

5 李国亮;液相脉冲放电制备钛多元陶瓷涂层及其性能研究[D];广东工业大学;2012年

6 徐昌盛;合金结构钢、不锈钢及其表面陶瓷涂层耐蚀性能研究[D];机械科学研究总院;2012年

7 杨帆;铝合金表面多功能陶瓷涂层的研究[D];华中科技大学;2012年

8 向阳;C_f/SiC复合材料超高温陶瓷涂层的制备及性能研究[D];国防科学技术大学;2008年

9 杨巍;用于Ti6Al4V表面生物活性陶瓷涂层材料的设计及制备[D];天津大学;2006年

10 李国庆;钨极氩弧熔覆原位自生ZrB_2-ZrC-B_4C-SiC高温陶瓷涂层的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

，

本文编号：637522