基于热喷涂技术压电陶瓷涂层的制备与性能研究

摘要

热喷涂技术是制备零件基体表面涂层的关键技术之一。传统对涂层疲劳磨损失效的判断主要是依靠涂层局部断裂后噪声和产生的机械振动等信号的采集分析，这是一种涂层失效后进行的判断，涂层服役过程中，其动态损伤无法实时感知，采用热喷涂技术制备压电涂层对涂层在服役过程中的损伤实施监测是一个新研究方向。
　　本文主要研究了喷涂方法制备PZT压电涂层。采用固相烧结的方法制备PZT喷涂粉末，通过对粉末物相组成，显微结构等的分析，确定制备PZT喷涂粉末的烧结工艺，用超音速等离子在45＃钢基体表面制备PZT涂层，首先进行正交优化实验，确定PZT粉末的最佳喷涂参数，分别使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度仪和纳米压痕仪等检测手段对涂层的表面及界面形貌、相结构、显微硬度和纳米力学性能等进行检测，另外，在涂层表面制备银电极，利用阻抗分析仪和压电常数d33测量仪对PZT涂层电学性能进行了测试，优化并最终确定涂层的极化工艺。
　　结果表明：（1）固相烧结方法制备PZT粉末的烧结工艺为650℃下保温1.5小时，然后升温至850℃保温2小时，最后在1200℃下保温4小时，烧结后粉末相结构良好；（2）超音速等离子喷涂工艺参数对PZT涂层综合性能的影响主次顺序依次为：Ar气流量>喷涂距离>喷涂电流>喷涂电压，最佳喷涂工艺为喷涂电流400A，喷涂电压120V，氩气流量3.2m3/h，喷涂距离100mm；（3）优化后的PZT涂层具有较平整的表面形貌，结合强度为41.3MPa，结构致密，孔隙率为1.62％，平均显微硬度为568.9HV，经纳米压痕仪测定平均硬度为7.122GPa，平均模量为125.051Gpa；（4）PZT涂层的介电性能稳定，居里温度约为370℃，极化电压为4KV/mm，极化温度为120℃，极化时间为25min，经极化后PZT涂层压电常数d33可达72pC/N。采用喷涂方法制备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。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2压电材料的发展历史与进程

1.3锆钛酸铅的基本结构特性

1.4国内外研究现状

1.5热喷涂技术

1.6课题来源、主要研究内容及意义

第二章 试验方法及设备

2.1 引言

2.2涂层制备

2.3 性能测试及主要试验设备

2.4本章小结

第三章 喷涂粉末PZT的制备

3.1引言

3.2实验过程

3.3实验结果及分析

3.4雾化造粒实验

3.5本章小结

第四章 超音速等离子喷涂PZT涂层的制备参数优化

4.1引言

4.2 PZT涂层的制备与工艺参数优化

4.3本章小结

第五章 超音速等离子喷涂PZT涂层及表征

5.1引言

5.2 PZT涂层制备

5.3结果与分析

5.4本章小结

第六章 结论

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3展望

参考文献

攻读学位期间取得的成果

致谢