基于有限元的PMS-PZT压电陶瓷制备工艺的研究

摘要

随着自然科学的发展，压电学已经成为现代科学与技术的一个重要学科，有关新材料和新技术的研究已经成为当前的一项科学前沿。三元系PMS-PZT压电陶瓷材料广泛应用于当前的电子信息产业、航空航天领域的电子元器件中，利于压电陶瓷的正逆压电效应进行电能与机械能的相互转换，在无机功能材料领域具有非常重要的地位。
　　PMS-PZT陶瓷制备过程中的粉体模压成型环节，对制品的烧结收缩和性能参数的测定有着非常重要的作用。粉体模压成型是一种最简单、最直观、也应用最为广泛的陶瓷成型工艺，对模压成型工艺进行优化研究是当前压电陶瓷制备工艺的一项重要的内容。研究表明，模压成型工艺能够有效制备厚度小于60mm的制品。但是在微观结构上，制品存在应力、密度分布不均的现象，影响压电陶瓷的性能。本课题在研究压电陶瓷模压成型工艺的基础上，采用二次烧结工艺制备了三类体积规格的PMS-PZT陶瓷样品，薄圆片状、圆柱状和薄方块状。分析了实验中出现的变形、弯曲、断裂以及融化等失效结果产生的原因。在分析样品微观结构、失效和致密度的基础上，测定了试样相关的介电、弹性[S]和压电[d]参数。
　　在模压致密过程中，由于存在着粉体与模具内壁之间接触等复杂的边界条件，单纯依靠实验分析很难获得应力分布在微观结构中的精确解。本课题假设粉体材料为“可压缩的连续体介质”，以有限元软件 ANSYS为平台，大变形弹塑性理论为基础建立了 PMS-PZT陶瓷粉体模压成型的有限元模型。基于Drucker-Prager材料模型，分析了在最大外载荷为70Mpa、粉体与模具内壁之间摩擦因数为0.2下的应力分布和粉体流动情况；同时分析了在不同摩擦因数下坯体内部的应力分布情况。有限元分析表明，粉壁摩擦是影响压电陶瓷内部结构的重要因素，这与实验测试的结果具有一致性。
　　为了衡量试样在正逆压电效应下的机电转换特性，课题基于压电陶瓷机电耦合分析理论，以ANSYS有限元软件为平台，建立了以PMS-PZT陶瓷为材料的压电双晶片结构模型，耦合分析了PMS-PZT陶瓷试样的驱动和感应特性。分析表明，在正逆压电效应作用下，PMS-PZT压电双晶片结构自由端的位移变形量与电压成正比关系，和理论数据进行对比，吻合性较好。
　　本课题采用有限元模拟与实验相结合的方法，研究了PMS-PZT陶瓷的模压成型过程，并分析了陶瓷样品的驱动和感应特性，为优化压电陶瓷制备工艺，提高压电陶瓷性能提供了行之有效的方法。实践表明，采用有限元模拟与实验相结合的方法，以指导压电陶瓷的研究生产，可以减小实验与理论计算工作量，缩小产品的开发周期，降低成本。

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1 绪论

1.1 前言

1.2 压电效应和压电陶瓷材料

1.3 PMS-PZT陶瓷制备工艺的研究进展

1.4 有限元法

1.5 本课题主要工作

2 样品的制备及性能测试

2.1 原料、设备和配方

2.2 制备工艺过程

2.3 样品性能的测试

2.4 本章小结

3 陶瓷粉末模压成型过程有限元模型的建立

3.1 模压成型的一般规律

3.2 陶瓷粉体模压基本理论

3.3 粉体材料单元模型

3.4 模压过程中的非线性问题

3.5 本章小结

4 陶瓷粉体模压成型过程有限元分析

4.1 松装状态的物理模型和几何尺寸

4.2 有限元分析过程

4.3 模拟结果分析

4.4 本章小结

5 有限元耦合模型的建立

5.1 有限元结构模型

5.2 材料特性方程

5.3 机电耦合单元模型

5.4 本章小结

6 压电陶瓷双晶片结构有限元分析

6.1 双晶片结构物理模型

6.2 有限元分析过程

6.3 驱动计算结果分析

6.4感应计算结果分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录A：PMS-PZT陶瓷粉体模压成型分析

附录B：压电耦合分析

攻读学位期间发表的学术论文

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