1 1.武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。
锆钛酸铅 裂纹尖端断裂韧性 铁弹性畴翻转 单边V型缺口梁 lead titanate zirconate crack-tip fracture toughness ferroelastic domain switching single-edge V-notch beam
采用冷冻浇注和添加造孔剂2种方法制备了不同孔形貌和孔隙率的多孔PZT压电陶瓷，系统研究了不同孔形貌和孔隙率对多孔PZT陶瓷的传感性能影响。结果表明：在多孔陶瓷中，压电电荷系数d33随孔隙率增加的下降速度比介电常数εr缓慢，使得多孔陶瓷压电传感性能较致密陶瓷得到大幅提高。此外，添加造孔剂法制备的随机多孔陶瓷d33与冷冻浇注制备得到的取向多孔陶瓷相比下降更显著，因此取向多孔陶瓷具有更高的传感输出电压，在8 N外力作用下，孔隙率为55.9%(体积分数)的取向多孔陶瓷达到了最高84 V的输出电压。本研究有助于了解多孔特性对压电陶瓷的传感性能影响，并为制备具有高压电系数的传感器件提供新的思路。
多孔锆钛酸铅陶瓷 孔隙率 孔形貌 传感 porous lead zirconate titanate ceramics porosity pore morphology sensing
1 大连交通大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连116028
2 大连科技学院 交通运输学院,辽宁 大连 116052
3 大连理工大学 建设工程学部,辽宁 大连 116024
目前压电阻抗法应用中,锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)片尺寸及粘贴位置选择的研究尚不充分。该文通过设计对比实验, 研究了PZT尺寸与粘贴位置对传感器导纳的影响机理。结果表明, 包含被测结构信息的局部密集峰主要分布在谐振频段; PZT尺寸越大, 谐振频段的局部密集峰越强。压电阻抗法中,PZT尺寸应结合检测频段包含谐振频段的原则来选择, PZT的粘贴位置将影响导纳曲线上的局部密集峰分布。研究结果为压电阻抗法应用中PZT的尺寸与粘贴位置选择提供了参考依据。
锆钛酸铅压电陶瓷(PZT) 导纳 尺寸 粘贴位置 压电阻抗法 lead zirconate titanate piezoelectric ceramics(PZT admittance size bonding location electro-mechanical impedamce technique
1 北京信息科技大学 传感器重点实验室, 北京100192
2 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室, 北京100101
锆钛酸铅(PZT)具有灵敏度高,响应速度快及压电常数大等优点, 已被广泛应用于触觉传感器及超声换能器等领域。该文首先对基于PZT的触觉传感器的原理及制作工艺进行了阐述, 再从材料优化、结构优化、柔弹性优化和可扩展性优化4个方面概述了PZT触觉传感器的研究进展, 讨论了其在运动检测、医疗健康和人机交互领域的实际应用, 最后对PZT触觉传感器的不足和未来发展趋势进行了分析。
锆钛酸铅 触觉传感器 压电 柔性 lead zirconate titanate tactile sensor piezoelectric flexible
中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
为提高柔性可穿戴传感器的电信号输出能力, 设计并制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体, 锆钛酸铅(PZT)为压电相的0-3型压电复合材料。探究了不同固相含量对浆料流变性能的影响。结果表明, 浆料的粘度与剪切模量随银修饰PZT质量分数(w(PZT))的增加而增加, w(PZT)=38%时浆料屈服点为398.1 Pa, 具有最优的可打印性。在电信号测试中, 经银修饰样品最大电压峰-峰可达20.54 V, 约为未经银修饰样品最大电压峰-峰值的5倍。弯曲测试中, 在长度之差ΔL=7 cm时, 样品电压峰-峰值为55 mV, 证明样品具备柔性传感性能。
直写成型 锆钛酸铅(PZT) 0-3 型压电复合材料 柔性 传感 direct ink writing lead zirconate titanate (PZT) 0-3 piezoelectric composites flexibility sensing
1 中南大学 粉末冶金研究院 湖南 长沙 410083
2 空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
3 中南大学 化学与化工学院, 湖南 长沙 410083
3-3型压电复合材料在超声波传感器、水下声学检测等领域有着广泛的应用。锆钛酸铅(PZT)陶瓷通过复合有望制备具有低介电常数、低脆性等优点的复合材料。采用直写成型技术制备了PZT三维木堆结构支架, 结合浸渍法填充环氧树脂制备了3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料。研究了陶瓷相体积分数对3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料的介电、压电、铁电性能的影响, 并对比了PZT陶瓷支架与PZT/环氧树脂复合材料的介电与压电性能。研究结果表明, 随着陶瓷相体积分数的增加, 复合材料的介电常数、压电常数及剩余极化强度都会增大, PZT支架具有更大的介电常数、压电常数、压电电压常数; 当陶瓷相体积分数为36%时, PZT支架与PZT/环氧树脂的压电电压常数分别达到151.0 mV·m/N与104.0 mV ·m/N。PZT/环氧树脂复合材料同时具备了压电陶瓷的硬度、电性能, 以及聚合物的柔韧性、低密度等优势, 其应用前景良好。
压电复合材料 直写成型 锆钛酸铅 3-3型 电性能 piezoelectric composites direct ink writing lead zirconate titanate 3-3 type electrical properties
1 上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 杭州应用声学研究所, 浙江 杭州 311400
采用固相合成法制备了Pb(Zr0.52Ti0.48)O3+x%LiF(PZT+x%LiF)及Pb(Zr0.52Ti0.48)O3+y%Li2CO3(PZT+y%Li2CO3)(x、y为质量分数)压电陶瓷, 研究了x、y不同对PZT压电陶瓷烧结性、晶体结构、微观形貌及压电性能的影响。随着x、y的增加, PZT压电陶瓷的四方相晶胞比(c/a)均下降, 但在x=y时, 与PZT+y%Li2CO3相比, PZT+x%LiF的c/a较小, 居里温度基本不变, PZT+x%LiF及PZT+y%Li2CO3的压电性能小幅提升后下降, 且在x=y=0.2时, 其压电性能均取得最佳。结果表明, 掺杂LiF、Li2CO3均能促进低温烧结, 提高致密度; 在1 100 ℃烧结温度下, PZT+y%Li2CO3样品性能较优, 且低温烧结效果更好。但在掺杂量较大时, LiF对性能的恶化较小。
锆钛酸铅(PZT)陶瓷 低温烧结 PZT ceramics low temperature sintering Li2CO3 Li2CO3 LiF LiF
1 内蒙古科技大学 土木工程学院， 内蒙古 包头 014010
2 南京航天航空大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016
根据修正偶应力理论和哈密顿原理，并结合经典的层合梁理论，推导出具有层合结构、考虑力 电耦合作用的微米级均质、非均质锆钛酸铅(PbZrTiO3，PZT)智能驱动器尺度相关的运动控制方程和固有频率。通过引入的材料内禀特征尺寸参数，成功捕获了微米级PZT智能驱动器的尺寸效应。数值分析显示，不同基体材料对微米级均质、非均质PZT智能驱动器归一化固有频率影响较小；压电层厚度不变，随着基体厚度增加，微米级PZT驱动器尺寸效应逐渐变小；随着结构特征尺寸逐渐增大，尺寸效应逐渐消失。
修正偶应力理论 特征尺寸参数 锆钛酸铅(PbZrTiO3，PZT) 尺寸效应 微米层合结构 modified couple stress theory feature size parameter PbZrTiO3(PZT) size effect micro lami nated structure
1 河北农业大学理学院, 保定 071001
2 河北大学物理科学与技术学院,保定 071002
通过修正的Landau-Devonshire热力学模型构建了PbZr0.4Ti0.6O3/SrTiO3异质结的电滞回线方程, 得到了剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec和有效储能密度Wrec的关于PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的解析函数, 进而研究了连续厚度h对PbZr0.4Ti0.6O3薄膜铁电性能和铁电储能性能的影响。结果表明, Pr, Ec 和Wrec均随PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的增加呈非线性增大, 且当厚度h分别为57.0 nm、64.2 nm和65.8 nm时, 达到饱和值75.3 μC·cm-2、2 240.7 kV·cm-1和9.0 J·cm-3, 而能量转换效率η随h的增加呈现出非线性减小, h接近52.6 nm时, η趋于一稳定值4.79%。此外, 瞬时相对变化率W′rec(h)和η′(h)均随h增加而减小, 当h小于2.4 nm时, η′(h)大于W′rec(h), 当h大于2.4 nm时, η′(h)小于W′rec(h), 且当h接近50.0 nm时, η′(h)/W′rec(h)趋于一稳定值0.65。
锆钛酸铅薄膜 剩余极化强度 有效储能密度 瞬时相对变化率 PbZr0.4Ti0.6O3 thin film remanent polarization effective energy storage density instantaneous relative rate of change
利用锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的光致形变效应，提出了一种光控微位移伺服系统，并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型，通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台，基于ON-OFF控制策略，在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明，通过对紫外光源施加ON-OFF控制，能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后，围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加; 在400 mW/cm2光照强度下，PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100 mW/cm2光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。
锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷 闭环伺服控制 光致形变 光驱动 微位移 PLZT ceramic closed-loop servo control photodeformation optical driving micro displacement 光学 精密工程
2016, 24(10): 2505
