PZT/PMnS-PZN-PZT压电纤维及其复合材料的制备与性能研究

摘要

交叉指型压电纤维复合材料是压电纤维/聚合物复合材料的发展新趋势，它采用压电复合材料与交叉指型电极相结合的方式，不仅克服了压电陶瓷材料脆性大及压电聚合物压电性能差等缺点，还大大增强了复合材料的驱动能力和各项异性，可作为传感和驱动元件应用于结构健康检测、结构减震和机器人控制等方面，并可应用于曲面结构，大大扩展了压电材料的应用范围。
　　 本文采用塑性聚合物-挤制成型法制备了不同截面形状、不同截面尺寸的PZT5、PMnS-PZN-PZT压电纤维，排列浇注法制备了交叉指型压电纤维复合材料，研究了烧结气氛及烧结温度对压电纤维微观结构的影响，探讨了纤维的截面形状和直径尺寸对纤维压电、铁电性能的影响。分析了复合材料中压电相性能、压电相含量及聚合物厚度对压电纤维复合材料铁电性能的影响。主要研究内容和结论如下：
　　 1、采用塑性聚合物一挤制成型法制备了菱形截面和圆形截面的PZT5及PMnS-PZN-PZT压电纤维，研究了烧结气氛及烧结温度对纤维结构与性能的影响。结果表明：在保证充足铅气氛的条件下，PZT5及PMnS-PZN-PZT压电纤维在一定温度范围内均形成纯的钙钛矿相，烧结温度不同，压电纤维的微观形貌及铁电、压电性能不同，但变化幅度不大。截面形状及截面尺寸对压电纤维的烧结温度范围没有影响，PZT5压电纤维的烧结温度范围1250～1280℃，PMnS-PZN-PZT的烧结温度范围1210～1230℃。
　　 2、纤维截面形状、直径尺寸对纤维性能有一定的影响，结果表明：随着纤维截面尺寸减小，纤维的剩余极化强度增大，压电常数减小。对于PZT5压电纤维，菱形截面纤维的压电、铁电性能较同尺寸的圆形截面压电纤维的性能差。对于PMnS-PZN-PZT压电纤维，菱形截面纤维的压电、铁电性能较同尺寸的圆形截面压电纤维的性能好。
　　 3、不同材料体系压电纤维，其压电铁电性能不同。PZT5体系的压电纤维材料其压电和铁电性能较同截面形状、同尺寸的PMnS-PZN-PZT体系压电纤维好。材料本身的性能对压电纤维性能起着决定性作用。
　　 4、采用排列-浇注法制备压电纤维复合材料PFC，丝网印刷法制备交叉指型电极(IDE)，研究压电相的性能对交叉指型压电纤维复合材料性能的影响。结果表明：单根纤维的铁电性能直接影响其复合材料的铁电性能，压电相为PZT5-Ф360(Pr=41μC/cm2)和PMnS-PZN-PZT-Ф260(Pr=9.85μC/cm2)的样品，压电纤维含量相同，厚度基本相同时，其剩余极化强度分别为7.8μC/cm2和0.89μC/cm2。
　　 5、研究复合材料中压电纤维含量、聚合物厚度、纤维截面形状及纤维直径尺寸对交叉指型压电纤维复合材料铁电性能影响。结果表明：压电纤维含量越大，复合材料剩余极化强度越大，聚合物的厚度越小，复合材料的铁电性能越好。以PZT5纤维为压电相，纤维含量相同时，聚合物厚度为0.32mm和0.17mm的复合材料，其剩余极化强度分别为7.81μC/cm2和11.31μC/cm2；以PMnS-PZN-PZT纤维为压电相的复合材料，其厚度相同时，当纤维间距为0.5mm和2mm，其剩余极化强度分别为0.271μC/cm2和0.09μC/cm2。纤维截面形状、尺寸对复合材料的影响，是通过影响电极与压电相间聚合物的厚度、电极与压电相的接触面积及纤维性能等而实现的。