BCTZ/P（VDF-TrFE）压电复合材料的性能研究

作     者：周佳洪 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏卫民;李志忠

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：BCTZ P(VDF-TrFE) 复合材料 介电 压电 

摘      要：柔性聚偏氟乙烯三氟乙烯（P（VDF-TrFE））聚合物因其独特的压电、热电和铁电性能备受关注,但其介电和压电常数低于无机材料;锆钛酸钡钙（（Ba1-xCax）（Ti1-yZry）O3,简称BCTZ）陶瓷具有压电常数高、介电损耗低、相对介电常数大等优点,然而其可塑性、柔性较差,而柔性聚合物基压电复合材料具有以上两者的优点。本文首先制备了BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料,利用XRD、SEM、铁电和介电测试设备研究了 BCTZ陶瓷和BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料的物相结构和形貌、介电、铁电和压电性能,建立了该复合材料结构与电性能的关系,取得的主要研究成果如下。1)采用熔盐法成功制备了 BCTZ陶瓷粉体的前驱体Bi4Ti3O12,并在1000℃、保温时间2小时条件下得到了长方体形状的BCTZ颗粒。XRD表明BCTZ在室温下为四方相。电性能测试表明BCTZ在100Hz下相对介电常数为2400,介电温谱显示其存在两个相转变峰:35℃的介电峰对应于正交相与四方相的转变温度TO-T;114℃时的介电峰对应于四方相与立方相的转变温度Tc。此外,电滞回线图测试显示该陶瓷为典型的弛豫铁电体,最大应变值为0.07%,压电应变常数d33为340 pC/N。2)使用溶液流延法制备了 BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料。复合材料的XRD结果显示存在BCTZ和P（VDF-TrFE）的混合特征衍射峰;SEM断面扫描图可以看出BCTZ均匀分散在P（VDF-TrFE）基体中,说明两者成功复合。3)通过介电频谱比较了四组不同组分的BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料的相对介电常数和损耗。结果显示,复合材料的介电常数（εr）随着陶瓷加入量的增加而增大,在以VDF含量分别为55mol%、75mol%、80mol%的P（VDF-TrFE）为聚合物相的复合材料中,分别得到的最大介电常数为26.2、23.2、33.1,此时四种BCTZ/P（VDF-TrFE）中无机陶瓷BCTZ的添加质量百分比量为30%、25%、25%。在BCTZ填入量为30%的P（VDF-TrFE）50/50mol%基复合材料中,100Hz下得到的最大εr为35.1。此外,由于低频下的损耗主要由漏导电流产生,因此复合材料损耗随陶瓷加入质量比增加而变大。4)系统比较了 BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料的压电应变常数d33的变化情况,在VDF含量为50mol%、75mol%、80mol%的三种P（VDF-TrFE）聚合物为基体时,发现BCTZ/P（VDF-TrFE）的d33在陶瓷加入量在15%时达到最大值分别为-31.7pC/N、-30.0pC/N、-28.3pC/N;P（VDF-TrFE）55/45mol%所制备得到的 BCTZ/P（VDF-TrFE）复合膜在陶瓷加入量为30%时复合材料的d33最大,其值-64.1 pC/N。以上结果表明,陶瓷加入量15%时BCTZ/P（VDF-TrFE）复合材料的压电性能较好,且聚合物基体为P（VDF-TrFE）55/45mol%的复合材料的性能优于其它组分,因此P（VDF-TrFE）55/45mol%基BCTZ复合材料可用于传感器、激励器和致动器等元器件的制备,为此类压电体的推广应用提供理论和数据支持。