基于静电纺丝的单根PZT纳米纤维制备与性能检测

摘要

传统压电陶瓷材料具有高的压电系数、高的机电耦合系数等特点，广泛用于能量转换、传感、驱动、频率控制等领域。相比于传统压电陶瓷材料，纳米尺度的材料有望获得更优异的压电性能，从而在更广阔的领域得到应用。
　　本文主要研究基于简单高效的静电纺丝工艺的单根PZT纳米纤维制备以及性能检测的实验。对所制备的样品进行表征分析，并进行建模得到其纵向伸缩振动等效模型。为了验证所制备样品的性能及模型的准确性，搭建电学检测平台进行验证。论文的主要内容与创新点如下:
　　1.研究了静电纺丝法制备PZT纳米纤维的实验，包括两个部分。第一，静电纺丝法制备图形化PZT纳米纤维流程介绍，主要包括电纺溶液的配制，使用MEMS工艺制造含有电极的收集板以及对传统静电纺丝装置进行改进，增加了辅助电源，从而达到收集有序、定向排列PZT纤维的目的。第二，对所得的单根PZT纳米纤维进行表征，并对热处理前后的样品的SEM图与XRD物相分析谱图进行分析，得出影响样品的三个原因。
　　2.根据压电材料的第四类压电方程，对单根PZT纳米纤维纵向振动模式进行数学建模，得出它的机电等效电路模型。利用有限元分析软件ANSYS和阻抗分析仪测试相结合，确定出单根PZT纳米纤维频率特性，并通过谐振法确定纳米纤维的其他材料参数与等效电路参数。
　　3.研究了电学检测原理及其结构。搭建π型传输线路模型以及后端处理电路，利用基于DSP的振动信号采集电路对信号进行采集，检测出PZT纳米纤维的谐振频率点，对长度为100μm，半径50nm的PZT纳米纤维的频率特性进行验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料与纳米纤维

1．2 静电纺丝技术概述

1．2．1 静电纺丝技术

1．2．2 静电纺丝应用和发展前景

1．3 压电陶瓷材料

1．3．1 压电效应

1．3．2 发展概述

1．3．3 应用以及局限性

1．3．4 压电陶瓷纤维的制备方法

1．4 检测技术

1．5 本论文的研究内容

第二章 PZT纳米纤维的制备和表征

2．1 静电纺丝技术的基本原理

2．2 稳态射流的动态平衡分析

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量平衡方程

2．2．3 电荷守恒方程

2．2．4 电场方程

2．3 图形化PZT纳米纤维的制备

2．3．1 电纺溶液的配制

2．3．2 实验平台

2．3．3 收集板设计与制作

2．3．4 静电纺丝电场分析

2．4 单根PZT纳米纤维制备、表征与分析

2．4．1 单根PZT纳米纤维的制备与表征

2．4．2 X射线衍射分析

2．4．3 实验结果分析

2．5 本章小结

第三章 单根PZT纳米纤维等效模型

3．1 压电陶瓷纤维振动模式

3．2 压电材料参数

3．3 四类边界条件及压电方程

3．3．1 四类边界条件

3．3．2 压电方程

3．4 单根PZT纳米纤维等效电路模型

3．5 单根PZT纳米纤维性能测试

3．5．1 纳米纤维谐振频率测试

3．5．2 纳米纤维介电、压电和弹性常数的测定

3．5．3 单根PZT纳米纤维等效电路参数的测定

3．6 本章小结

第四章 单根PZT纳米纤维电学检测

4．1 传输线路法电路

4．2 电流电压转换电路

4．3 带通滤波电路

4．4 模数转换电路

4．4．1 AD9280工作时序

4．4．2 AD9280模数转换电路连接

4．5 信号采集电路

4．5．1 DSP芯片的选择及其特点

4．5．2 TMS320LF2407芯片的接口电路

4．5．3 信号采集电路的软件设计

4．6 信号采集实验及结果

4．7 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢