锆钛酸铅压电陶瓷的3D直写成型及其复合材料的压电性能研究

作     者：李周遥 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊慧文

授予年度：2022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] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：直写成型 压电陶瓷 压电复合材料 压电性能 

摘      要：压电陶瓷作为一种典型的智能材料,广泛应用于传感与驱动、智能结构和能量收集等领域。传统压电陶瓷制备工艺难以满足未来智能、可穿戴传感器件对其提出的三维方向感知、外形定制化和多功能集成等设计需求。基于此,本研究采用直写成型3D打印技术,通过优化浆料组分与成型性能,开发了具有适宜流变性能的锆钛酸铅(Pb(ZrTiO),PZT)压电陶瓷有机浆料,结合3D柔性陶瓷坯体的二次辅助变形,实现了具有弯曲、螺旋结构等无支撑3D陶瓷支架成型与致密化;系统研究了不同复合方式及不同陶瓷相含量对压电复合材料性能的影响关系,获得了两相结合紧密且性能良好的压电复合材料,初步探索了共挤出直写成型方法制备金属电极-压电陶瓷材料的可行性。主要研究内容和结论如下:(1)研究了PZT有机直写浆料中粘结剂、增塑剂、分散剂和固相含量对其浆料粘度及储能模量的影响关系,构建了流变性能与浆料打印性能及打印工艺参数与成型结构特征之间的对应关系。结果表明:浆料储能模量的显著影响因素为增塑剂和固相含量,浆料粘度的显著影响因素为固相含量与粘结剂含量;适于直写成型的固相含量组合与浆料组分为:固相含量80.0 wt.%、粘结剂含量5.0 wt.%、分散剂含量2.0 wt.%、增塑剂含量1.0 wt.%。(2)研究了PZT有机直写浆料中增塑剂、粘结剂含量及三维结构设计对生坯的二次变形能力的影响,结合TG/DSC热分析,优化了成型生坯排胶烧结工艺。结果表明:生坯二次变形能力较优的浆料组分含量组合为增塑剂含量1.5 wt.%与粘结剂含量5.0 wt.%;证明了通过三维结构的合理设计可显著优化生坯二次变形能力;获得了致密度优于98%的高致密3D-PZT陶瓷。(3)制备了3D-PZT压电复合材料,研究了螺旋形、3-3型和3-1型陶瓷3D结构与陶瓷相含量对复合材料电、声学性能的影响,并探索了镍电极-PZT压电陶瓷的共挤出直写成型工艺。结果表明:螺旋形压电复合材料的声阻抗较低,均低于20 MRayls;而机电耦合系数高,均高于60%;3-3型压电复合材料的陶瓷相含量为50～55 vol.%时,综合性能最优;3-1型压电复合材料的机电耦合系数较高,当PZT体积分数为75.90 vol.%时,其厚度方向机电耦合系数达到72.82%。图49幅,表13个,参考文献117篇