PDF《电泳辅助制备伪 1-3 陶瓷/聚合物压电复合材料∗》

550 pC/N 和7800 kg/m3 ;

环氧树脂的相 对介电常数和密度分别为

3 和1000 kg/m3 . 根据 (1)―(6) 式, 我们可以分别给出其介电常数 (这里 假定取向因子 K 为0.3) 和压电常数随着 PZT 体积 分数的变化曲线, 如图

2 所示. 从图

2 可以看出, 伪1-3 复合压电材料的介电和压电性能介于 0-3 和1-3 复合材料之间.

3 实验过程 以氧氯化锆、 二氧化钛和醋酸铅为原料, 按n(Zr) : n(Ti) : n(Pb) =

52 :

48 :

105 进行配料 来制备锆钛酸铅 (PZT) 粉. 其中铅稍微过量是为 了弥补高温处理时的铅挥发. 以酒精为分散剂, 将027701-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

2 (2014)

027701 配料置于行星球磨机 (QM-ISP04 型, 南京大学仪 器厂) 中混料

24 h, 将混合好的配料置入马弗炉中,

900 ? C 预烧

2 h 后随炉冷却到室温后, 在研钵中充 分研磨, 再次将配料置于马弗炉中, 在1250 ? C 下 保温

4 h 烧结, 然后随炉冷却到室温. 将得到 PZT 样品在球磨机中处理

6 h, 得到大小均匀 (平均粒径 约1?m) 的PZT 陶瓷粉. 将其储存在

150 ? C 的鼓 风干燥箱中备用. 图2不同复合压电材料的介电 (a) 和压电性能 (b) 理论 分析对比 将PZT 粉和环氧树脂 (M240, 香港艺辉集团 国际有限公司) 混合均匀后抽真空

20 min;

然后将 其注入直径10 mm, 厚600 ?m的特氟龙模具中;

放 入真空器皿中再次抽真空

10 min, 然后将其放入 由厚玻璃板、 导电黄铜片和压片机组成的伪 1-3 复 合材料制备装置中, 如图

3 所示. 保持一定的压力 (?

20 MPa) 和正弦交流电场 (500 V/mm,

4 kHz) 下常温固化

3 h 成型. 电场由一个低频信号发生器 (DF1027A, 宁波中策电子有限公司) 连接一个高压 放大器 (MODEL 609E-6, Trek) 提供. 为了对比, 采用相同的模具和装置, 制备另外一组不引入电 泳辅助的传统的 0-3复合样品. 固化的样品脱模后, 在样品上下表面溅射金电极. 样品的介电性能通过 LCR 分析仪 (Agilent, 4284A) 表征. 使用铁电分析 仪(Precision Multiferroic, Radiant) 测试样品的铁 电性能. 在2 kV/mm的电场下, 将样品在硅油浴中 常温极化60 min. 样品的压电性能通过准静态压电 d33 测量仪 (ZJ-3AN 中国科学院声学研究所) 进行 表征. 图3伪1-3 型PZT/环氧树脂压电复合材料制备装置示 意图

4 结果与讨论 4.1 介电性能 图4给出了电泳辅助制备的 10% PZT 体积分 数样品的断面扫描电子显微镜 (SEM) 照片, 颗粒 呈现近似链状排列的伪1-3结构. 对比SEM结果和 图1中的理想排列, 可见实际情况中颗粒趋向排列 程度比预期低很多. 这主要是因为影响电泳辅助 制备伪 1-3 复合结构的因素十分复杂, 包括颗粒大 小、 颗粒形状、 外加电场强度、 有机基体黏度等多种 因素. 图410% PZT 体积分数样品断面 SEM 照片 4.2 介电性能 图5对比了电泳辅助制备的伪 1-3 复合压电材 料与传统的 0-3 复合材料的介电性能. 由图

5 可见, 027701-3 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

2 (2014)

027701 对于相同 PZT 体积分数的复合材料, 电泳辅助制 备的伪 1-3 样品的介电常数明显高于传统的 0-3 样品. 这与图

2 (a) 中的理论分析结果一致. 在PZT 体积分数含量为 15% 时, 伪1-3 复合压电材料的介 电常数比0-3复合材料提高了大约50%. 图5两种复合压电材料介电常数的对比 4.3 压电性能 图6对比了电泳辅助制备的伪 1-3 复合压电材 料与传统的 0-3 复合材料的压电性能. 由图