多基元壓電復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、水聲換能器或基陣是聲納系統(tǒng)的核心部件，由多個(gè)換能器基元組成的大型聲基陣能有效提高聲納的探測(cè)距離、搜索率和定向準(zhǔn)確度。影響換能器基陣性能的主要因素是換能材料和制備工藝。作為換能器基陣的理想元件，多基元壓電復(fù)合材料是在材料與工藝相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，不僅提高了換能基元的性能，還避免了由于基陣制備工藝的不足而引起的誤差。因此，多基元壓電復(fù)合材料在水聲探測(cè)和掃描領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT-4為功能相

2、，以環(huán)氧樹脂為基體材料，采用二步切割-澆注工藝，通過向復(fù)合材料基元之間填充去耦材料的方法，制備多基元壓電復(fù)合材料，并對(duì)其壓電、介電、機(jī)電耦合、頻率及聲耦合性能進(jìn)行了研究;采用無氰化學(xué)鍍金的方法制備壓電材料電極，分析了鍍液成分及工藝條件對(duì)鍍速及鍍層性能的影響。為多基元壓電復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　 分別以聚氯乙烯、氯丁橡膠、聚氨酯、硅膠為去耦材料制備多基元壓電復(fù)合材料，研究了去耦材料對(duì)復(fù)合材料聲耦合性能的影響。結(jié)果表

3、明，澆注去耦材料后，復(fù)合材料各基元之間的聲耦合明顯減弱;不同去耦材料對(duì)聲波的衰減作用不同，其中硅膠和聚氯乙烯的去耦性能及溫度穩(wěn)定性最好，在-30℃～100℃范圍內(nèi)，相鄰基元間的信號(hào)衰減率均能達(dá)到95％以上;氯丁橡膠和聚氨酯的去耦性能及溫度穩(wěn)定性較差，在80℃以上的高溫下才具有較好的去耦性能;聚氯乙烯的可操作性差，在150℃高溫下恒溫2h才能固化，因此本文選擇硅膠為去耦材料;隨厚度的增加，硅膠的去耦性能呈先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)厚度達(dá)到

4、2mm后，去耦作用不再變化。
　　 研究了形狀參數(shù)對(duì)多基元壓電復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明，含有不同基元個(gè)數(shù)的復(fù)合材料均具有很好的一致性及去耦性能，任意相鄰基元間的信號(hào)衰減率均達(dá)到97％以上;隨基元個(gè)數(shù)的增多，復(fù)合材料的壓電性能一致性變差，但對(duì)頻率、機(jī)電耦合性能一致性及聲耦合性能沒有影響;不同PZT體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料均具有很好的壓電及頻率性能的一致性，而介電和機(jī)電耦合性能一致性隨PZT體積分?jǐn)?shù)的增加而變好;臨近基元衰減率均達(dá)到9

5、3％以上，PZT體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料聲耦合性能沒有影響;隨PZT體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的d33、εr、Kt逐漸增大，tanδ、g33逐漸減小;基底厚度對(duì)多基元壓電復(fù)合材料各基元的壓電性能、介電性能及頻率一致性沒有影響，但隨基底厚度的增大，復(fù)合材料機(jī)電耦合性能一致性變差，各基元間聲耦合作用增強(qiáng);隨壓電陶瓷基底厚度的增大，d33、εr逐漸增大，g33、tanδ、fs、Kt逐漸減小，介電-溫度穩(wěn)定性變差。柱高對(duì)多基元壓電復(fù)合材料各基元的壓電性

6、能一致性及聲耦合性能沒有影響，隨柱高的減小，復(fù)合材料的頻率及機(jī)電耦合性能一致性變差，但整體影響較小;隨陶瓷柱高度的減小，d33、厚度模強(qiáng)度及純凈度減小，機(jī)電耦合性能變差，fs線性增大，得到線性回歸方程為:fs=263.97-12.57l。
　　 研究了化學(xué)鍍金配方及工藝對(duì)鍍速及鍍層性能的影響，得到了適合于壓電材料的表面金電極制備的化學(xué)鍍金配方及工藝參數(shù)。結(jié)果表明，化學(xué)鍍金的最佳配方為:主鹽Na3Au(SO3)22g·L-1（以金

7、計(jì)），絡(luò)合劑Na2SO313g·L-1，pH緩沖劑KH2PO415g·L-1，輔助絡(luò)合和加速劑C2H8N2與金的摩爾比(6～10)∶1，添加劑(C3H5NO)n0.6～1.0g·L-1，添加劑HO(CH2CH2O)nH1.0～1.5g·L-1;最佳工藝條件為:溫度50～55℃，pH7.0～7.5，時(shí)間8～10min;利用SEM、EDS、膠帶實(shí)驗(yàn)、熱震實(shí)驗(yàn)、濾紙法、電化學(xué)腐蝕等測(cè)試方法對(duì)鍍層的形貌、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合力、孔隙率及耐腐蝕性等進(jìn)行