PZT/SiO2--Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的制备及其压电性能研究
压电材料是一类对机、电、声、光敏感的功能材料，传统压电材料以压电晶体和压电陶瓷材料为主，被大量使用在传感器、无损检测、通讯技术和换能器等尖端技术领域。但由于其韧性低、密度大、声阻抗大等问题在水声换能器、水声检测器等特殊领域应用上未能得到有效发挥。因此急需开发出一种低密度、低声阻抗能够实现与水的声阻抗匹配的柔性新型复合材料。 气凝胶材料具有密度和声阻抗小以及其纳米网络骨架结构在受力时滑动会增加压电陶瓷的灵敏度等优点。将压电陶瓷颗粒和气凝胶原位复合，PZT（锆钛酸铅）陶瓷粉末颗粒可均匀地分布在三维连通网络骨架的气凝胶基体中，不仅其密度小，容易实现陶瓷与传递介质之间的匹配并改善陶瓷与基体性能的匹配，当气凝胶外表面受到力的作用时，网络骨架就会将力均匀的传递给每个PZT陶瓷粉末，随后再与PVDF（聚偏二氟乙烯）进行复合克服了复合气凝胶材料脆性和聚合物温度局限性的缺点，具有较好的可设计性。 本研究制备了柔性PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜，这种复合薄膜在水声换能器、传感器领域包括驱动器的应用上都有很好的前景。 本研究对PZT和SiO2-Al2O3气凝胶制备条件进行了探究。采用溶胶一凝胶法制备了PZT凝胶，再经过干燥、烧结等工序得到了PZT陶瓷粉体。考察不同干燥方式、烧结温度对PZT陶瓷晶型和微观结构的影响。结果表明，经过CO2超临界干燥之后再经600℃烧结得到了钙钛矿结构的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3陶瓷。考察凝胶温度对SiO2-Al2O3溶胶凝胶时间的影响，获得了SiO2-Al2O3气凝胶快速凝胶的最佳工艺。研究发现当温度在70℃以上时凝胶，SiO2-Al2O3溶胶的凝胶时间大大缩短。进一步通过在SiO2-Al2O3开始凝胶前加入PZT陶瓷粉体的方法，获得了PZT/SiO2-Al2O3复合气凝胶原位快速复合的最佳工艺。通过探究PZT添加量对复合气凝微观结构的影响，发现随着PZT含量的增多，复合气凝胶的比表面积可达到711m2/g。 通过将PZT和SiO2-Al2O3气凝胶粉体均匀混合至PVDF溶液中后通过涂膜、成膜、烘干等步骤，制备了PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜。通过SEM、EDS、红外、导热系数测试、压电系数测试以及介电常数测试等分析测试方法，考察气凝胶添加量、PZT添加量、薄膜厚度等工艺条件对压电性能的影响。关联PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜制备工艺，结构及压电性能三者之间的关系，探讨了PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的压电机制。研究发现PZT和SiO2-Al2O3气凝胶含量的增多提升了PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的压电系数，该复合薄膜在PZT含量为45wt.％，厚度为25μm时，d33可以达到15pC/N。 为了增强PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的极化效果，以CNTs作为增强剂制备了CNTs/PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜。通过考察CNTs/PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的压电系数与CNTs掺杂量之间的关系，探究了CNTs添加量对该复合薄膜极化效果的影响。结果显示CNTs/PZT/SiO2-Al2O3气凝胶/PVDF复合薄膜的压电系数随CNTs添加量增加出现了一个峰值，在CNTs掺杂量为2wt.％时复合薄膜取得了最好的极化效果。
复合薄膜;聚偏二氟乙烯;锆钛酸铅;二氧化硅-三氧化二铝气凝胶;制备工艺;压电性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
陈晓红
2021
中文
TQ325.4
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）