1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。

由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。

1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。

因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。

制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。

本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。

主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。

实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。

研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为
10.2Mrayl、317pC/N。

与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。

在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系
数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。

陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273
pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。

(2)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料的物性的影响,考察了kt随纵横比的变化。

实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料,分析实验结果得出以下结论:复合材料的厚度机电耦合系数kt随陶瓷相的体积比的增加而减小,陶瓷相的体积比为25%的复合材料的kt比PZT5H陶瓷的kt提升了40%。

复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为9.8Mrayl、460pC/N。

1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料的厚度机电耦合系数kt随样品厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,当陶瓷相的休积比为25%、31%和40%时,复合材料样品的厚度分别在1.2mm、1.4mm和1.6mm处对应的厚度机电耦合系数kt最大。

实验制备的陶瓷相的体积比为25%的1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料在厚度为1.2mm时的物性分别为:d33= 372 pC/N,Z=9.8Mrayl,kt=0.70,Q=5.8,ε
r=650,tanδ=0.04。

(3)利用预球磨处理过的BaC03微粉制备了BCZT陶瓷,研究了其介电与压电物性。

利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,探讨了其各种物性。

以预球磨处理的BaC03微粉为原料制备的BCZT陶瓷的平面机电耦合系数kp、厚度机电耦合系数kt与机械品质因子Qm分别为0.48、0.36和180。

1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料的厚度机电耦合系数kt和机械品质因子Qm 分别为0.51和3.9,kt 比BCZT陶瓷的kt提高较明显,而Qm降低了约2个数量级。

1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料的kt随着厚度的增加先增大后减小,在厚度为1.6mm时取得最大值为0.51。