鋯鈦酸鉛(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃,PZT)氣凝膠作為一種功能氣凝膠,具有將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力。其極低的密度能夠較好地與水的聲阻抗相匹配,其較高的靜水壓品質(zhì)因數(shù),作為水聲換能器的壓電材料可提高其靈敏度和分辨率。然而,傳統(tǒng)工藝制備的PZT氣凝膠存在諸如原材料價(jià)格昂貴、工藝流程復(fù)雜及制備周期漫長等局限性,嚴(yán)重制約了PZT氣凝膠的研究和應(yīng)用。為此,本論文進(jìn)行了PZT氣凝膠的簡單快速制備方法、孔徑控制、氣凝膠組分、PZT氣凝膠有機(jī)無機(jī)復(fù)合多層涂層的制備方法以及多層涂層的力學(xué)、壓電與介電性能等研究,獲得以下主要結(jié)論:第一,PZT氣凝膠有關(guān)凝膠老化工藝的改進(jìn)研究。使用廉價(jià)原材料和簡單工藝制備PZT濕凝膠,使用蒸餾除水工藝縮短了溶劑置換時(shí)間,研究老化液對PZT氣凝膠成分及孔徑分布的調(diào)控,并研究其孔徑分布對PZT濕凝膠透光性的關(guān)系。在老化液中透光性較強(qiáng)的PZT濕凝膠經(jīng)二氧化碳超臨界干燥后所得的PZT氣凝膠孔徑較小,且分布較為集中,但不同老化液未改變所制備PZT氣凝膠基本成孔方式、相結(jié)構(gòu)及其中的有機(jī)基團(tuán)。第二,嘗試對PZT氣凝... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

氣凝膠結(jié)構(gòu)示意圖

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4經(jīng)燒結(jié)或共沉淀所制備的PZT陶瓷為多晶材料，由于在其外部施加壓力時(shí)，其內(nèi)部的極化方向并不統(tǒng)一，在其內(nèi)部產(chǎn)生各個(gè)方向的電疇，使其所產(chǎn)生的電荷相互抵消，在宏觀上陶瓷表面并無電荷產(chǎn)生，因此并無壓電效應(yīng)。必須將其置于強(qiáng)直流電場中，使PZT陶瓷內(nèi)部的電疇按照電場線方向重新取向，陶瓷內(nèi)部電疇方向一致時(shí)，才具有壓電效應(yīng)，此過程即為極化。圖1-2鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖PZT壓電陶瓷的正壓電及逆壓電效應(yīng)以及優(yōu)異的壓電性能使其作為機(jī)電換能材料在超聲換能及傳感器等方面發(fā)揮著重要作用。特別地，PZT壓電陶瓷作為水聲換能器的關(guān)鍵材料，在海底資源勘探、潛艇導(dǎo)航方面有著重要作用。1.2.2PZT氣凝膠的研究意義隨著陸地資源如石油、天然氣、煤炭等不可再生資源持續(xù)開采及枯竭，海洋資源越來越受到重視，且海洋面積超過地球總面積的70%，海底油田、可燃冰等化石能源及生物資源十分豐富，所以未來對海洋資源尤其是深海資源的爭奪，將會(huì)更加激烈。不同于陸地資源，海洋資源的開采對技術(shù)要求較高，故未來對深海資源的爭奪競爭更是科技的競爭和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的競爭，我國雖然為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，但科技水平距世界先進(jìn)還有一定差距，所以發(fā)展深海資源開發(fā)技術(shù)是十分重要的。在水中，聲波是目前已知唯一有效的遠(yuǎn)距離信息傳播載體，在水中發(fā)射及接受聲波的設(shè)備是聲納系統(tǒng)，聲納系統(tǒng)的核心器件為水聲換能器。水聲換能器的作用是在水下以特定的頻率發(fā)出并不失真地接收聲信號，以此來探測四周的物體，相當(dāng)于雷達(dá)在空中的作用。因此，在上述迫切的需求背景下，水聲換能器技術(shù)的發(fā)展是聲納系統(tǒng)取得重大突破的前提。作為水聲換能器，尤其是水聽器關(guān)鍵的機(jī)電轉(zhuǎn)換材料，PZT壓電陶瓷存在著聲阻抗匹配的問題。聲阻抗率的計(jì)算公式如式（1-1）所示?

c為聲在介質(zhì)中的傳播速度。由上式可知，聲阻抗率與聲在介質(zhì)中的轉(zhuǎn)播速度與該介質(zhì)的密度呈正比。PZT壓電陶瓷如PZT4、PZT5及PZT8系列壓電陶瓷的密度約為7.5g/cm3，聲波在此介質(zhì)中的傳播速度大于2800m/s，遠(yuǎn)大于海水的密度（約1.02~1.07g/cm3）和聲在海水中的速度（約1530m/s），所以PZT陶瓷很難與水的聲阻抗相匹配，在換能器壓電材料與水的界面處，聲波具有較大的損失，水聽器的靈敏度、分辨率等受到嚴(yán)重限制。為了解決上述問題，聲阻抗匹配層的概念應(yīng)運(yùn)而生，聲阻抗匹配層結(jié)構(gòu)多樣，如多層匹配層和漸變匹配層等[73-75]。圖1-3所示為常見的匹配層示意圖。匹配層能使聲波經(jīng)過水→匹配層→壓電陶瓷，避免聲阻抗差距懸殊的物質(zhì)直接接觸，減少聲波損失。然而，聲阻抗匹配層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本較高[76]。圖1-3水聲換能器聲阻抗匹配層示意圖除了聲阻抗匹配因素外，靜水壓品質(zhì)因數(shù)HFOM也是衡量壓電材料的關(guān)鍵因素。靜水壓品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式[77]如式（1-2）所示：HFOM=dh×gh=dh2/ε(1-2)其中，dh=d33+2d31，d33與d31為取向不同的壓電系數(shù)，PZT壓電陶瓷的d33與d31取值符號相反；gh為靜水壓電壓常數(shù)，gh=dh/ε，其中ε為PZT壓電陶瓷的介電常數(shù)。由于d33與d31符號相反，致密的PZT壓電陶瓷的介電常數(shù)ε較大，其HFOM值較低。因此，聲阻抗匹配層無法從根本上解決聲阻抗匹配和靜水壓品質(zhì)因數(shù)的問題，無法大幅提高水聽器的靈敏度與分辨率。多孔壓電陶瓷可從壓電材料本身改善上述問題。目前，PZT多孔陶瓷的制備方法主要有泡沫塑料模板法、發(fā)泡法、造孔劑法、固相燒結(jié)法及溶膠-凝膠法等[78]，其中，制備三維多孔陶瓷的方法主要為發(fā)泡法或造孔劑法[79]，即將PZT陶瓷粉體

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3362562