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 1.中南大学 粉末冶金研究院, 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083
2 2.湖南省美程陶瓷科技有限公司, 娄底 417000
钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)作为典型的钙钛矿型弛豫铁电体, 具有超高的场致应变, 是最有希望代替铅基体系的无铅压电体系之一。与铅基陶瓷相比, BNT基陶瓷具有驱动电压较高、迟滞较大以及温度稳定性差等劣势。为了优化无铅驱动器的应变性能, 本研究采用固相反应法制备(1-x){0.76(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.24SrTiO3}-xNaNbO3(BNT- ST-xNN, x=0~0.03)无铅铁电陶瓷。结果表明, 当x=0.01时, 该陶瓷在较低电场(E=4 kV/mm)下的应变值可达到0.278%, 等效压电系数d*33高达695 pm/V。此时, 陶瓷处于非遍历/遍历弛豫相界处, 电场诱导弛豫-铁电相变导致大场致应变。与x=0.01相比, x=0.02时应变值为0.249%, 略微下降, 但迟滞却降低至43%。此外, 该应变在25~100 ℃温度范围内维持稳定。本研究表明, 在BNT基陶瓷中固溶SrTiO3和NaNbO3组元可以提高场致应变值, 同时维持较低的驱动电场和良好的温度稳定性, 可用于压电驱动器研制。
钛酸铋钠 无铅铁电陶瓷 场致应变 弛豫态 sodium bismuth titanate lead-free ferroelectric ceramics field-induced strain relaxed state
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, 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
2 中电科技集团 重庆声光电有限公司, 重庆401332
采用传统固相法制备了在1 130 ℃下烧结而成的(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3 (KNLNTS)无铅压电陶瓷。陶瓷致密度和电学性能较好, 致密度达到98%, 室温压电常数为308.7 pC/N, 厚度振动机电耦合系数可达0.5, 1 kHz时介电损耗为0.043。以上述KNLNTS基粉体为原料, 利用切割填充法制备1-3型压电复合材料并研究了厚度对复合材料的性能影响。结果表明, 复合材料的压电常数、厚度振动机电耦合系数均随厚度的增加而增加, 介电损耗随厚度的增加而减少, 而相对介电常数基本保持不变。
压电陶瓷 铌酸钾钠 1-3型复合物 厚度 piezoelectric ceramics sodium potassium niobate 1-3 composites thickness
中南大学 粉末冶金研究院 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
采用传统固相法在烧结温度1 110~1 150 ℃内成功制备了(K0.5Na0.5)0.98Li0.02Nb0.77Ta0.18Sb0.05O3(LTS-KNN)无铅压电陶瓷, 所有样品结晶性良好, 无第二相产生。在1 130 ℃下烧结的压电陶瓷致密度良好, 陶瓷表现出较好的压电性能。通过调节极化电场与极化温度可改善陶瓷的极化程度, 进而优化陶瓷的压电性能。实验结果表明, 在烧结温度为1 130 ℃, 极化电场为3 kV/mm, 极化温度为60 ℃时, 陶瓷的压电性能达到最佳, 即压电常数d33 = 310 pC/N, 机电耦合系数kp = 48%。
压电陶瓷 铌酸钾钠 烧结温度 极化 piezoelectric ceramics (K,Na)NbO3 sintering temperature polarization
1 中南大学 粉末冶金研究院 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
2 中电科技集团 重庆声光电有限公司,重庆 401332
3 中南大学 化学化工学院, 湖南 长沙 410083
1-3型压电复合材料具备优异的机电耦合性能, 这对于高性能压电换能器的开发具有重要意义。该文采用低成本的切割填充法制备了不同结构参数的1-3型PZT/环氧树脂复合材料, 并结合有限元模拟法对其压电性能、机电响应特性和温度稳定性进行了系统地研究。1-3阵列结构对平面方向应变产生了很大的衰减, 使能量更集中于厚度共振模式。复合材料的高径比是影响机电耦合性能的主要因素, 更精细的阵列结构有利于高性能压电换能器的制造。在-20~60 ℃内, 1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数约为0.61, 变化率小于1%,表现出良好的温度稳定性。
1-3型压电复合材料 有限元仿真 机电响应特性 温度稳定性 1-3 piezoelectric composites finite element simulation electro-mechanical response characteristic temperature stability
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
