本文關(guān)鍵詞：鈮鎂酸鉛智能壓電陶瓷涂層的制備與性能研究

  更多相關(guān)文章： PMN-PZT壓電涂層 正交優(yōu)化 組織結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能 電學(xué)性能

【摘要】：壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的材料,由于其良好的物理化學(xué)性能,廣泛應(yīng)用在振蕩器、傳感器以及各類水聲、超聲等方面,遍及日常生活的方方面面。因此,深入開展對等離子噴涂壓電陶瓷涂層的研究,將對挖掘其性能、擴(kuò)展其使用范圍有重要的理論意義和實用價值。本文通過采用等離子噴涂(APS)技術(shù)在45#鋼基體表面制備了鈮鎂酸鉛-鋯鈦酸鉛復(fù)合陶瓷涂層(PMN-PZT涂層),利用正交優(yōu)化選取了最佳的噴涂工藝參數(shù)。借助XRD、SEM、XPS、TEM、三位形貌儀、顯微硬度測試儀、納米硬度儀、電滯回線測量儀、d33準(zhǔn)靜態(tài)測量儀以及介電常數(shù)測量系統(tǒng)等多種檢測手段和分析方法表征了涂層的成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、電學(xué)性能。通過第一性原理方法研究了計算了具有相似結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷的性能。最終的研究結(jié)果表明:(1)等離子制備PMN-PZT壓電陶瓷涂層的最佳工藝參數(shù)為噴涂距離90mm、噴涂電流400A、噴涂電壓85V、主氣流量3.0m3/h,得到了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度為53MPa,孔隙率為2.75%的PMN-PZT智能壓電陶瓷涂層。(2)涂層表面有一定粗糙度,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由含鉛量多的明亮區(qū)域以及含鉛量少的較暗區(qū)域組成,這是由噴涂過程的受冷不均勻造成的。涂層平均硬度為427HV0.025,材料的平均彈性模量和平均納米硬度分別為106.718GPa和6.811GPa。(3)PMN-PZT涂層的介電性能穩(wěn)定較穩(wěn)定,隨著頻率的增加,介電常數(shù)值降低,居里溫度升高。極化電壓為3kV/mm,極化時間為28min,極化溫度為140℃為PMN-PZT涂層的最佳極化條件,此時PMN-PZT涂層壓電常數(shù)d33最高可達(dá)27pC/N。材料的自振頻率為325 kHz。由以上結(jié)論,可以判斷采用等離子噴涂方法制備PMN-PZT智能壓電陶瓷涂層是可行的,利用壓電涂層對零件運(yùn)行過程中的服役狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測具有十分廣闊的發(fā)展前景,但需要更加深入的研究。
【關(guān)鍵詞】：PMN-PZT壓電涂層 正交優(yōu)化 組織結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能 電學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 課題研究背景11
• 1.2 壓電陶瓷的發(fā)展及前景11-15
• 1.2.1 壓電陶瓷的性能及改性研究11-14
• 1.2.1.1 無鉛壓電陶瓷的性能及改性研究11-12
• 1.2.1.2 含鉛壓電陶瓷的性能及改性研究12-14
• 1.2.2 壓電陶瓷在噴涂方面的應(yīng)用14-15
• 1.3 等離子噴涂技術(shù)15
• 1.4 課題意義、內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)15-19
• 1.4.1 課題來源15-16
• 1.4.2 課題研究的意義16
• 1.4.3 課題研究的內(nèi)容16-17
• 1.4.4 論文主要創(chuàng)新點(diǎn)17-19
• 第二章 試驗方法和設(shè)備19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 PMN-PZT涂層制備19-20
• 2.2.1 粉末處理方法及設(shè)備19-20
• 2.2.2 涂層制備方法及設(shè)備20
• 2.3 涂層的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測試20-23
• 2.3.1 微觀形貌分析20-21
• 2.3.2 涂層的孔隙率測試21
• 2.3.3 涂層的透射分析21
• 2.3.4 涂層的硬度測試21-23
• 2.3.5 涂層的結(jié)合強(qiáng)度測試23
• 2.4 涂層的相結(jié)構(gòu)和成分分析23-24
• 2.4.1 涂層材料的相結(jié)構(gòu)23-24
• 2.4.2 X射線光電子能譜分析24
• 2.5 涂層的電學(xué)性能測試24-26
• 2.5.1 樣品的被銀24
• 2.5.2 電滯回線的測量24-25
• 2.5.3 極化實驗25
• 2.5.4 電學(xué)信號的測量25
• 2.5.5 介電性能測試25-26
• 2.6 本章小結(jié)26-27
• 第三章 等離子噴涂PMN-PZT涂層的參數(shù)優(yōu)化27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 噴涂材料選取及處理27-28
• 3.2.1 噴涂基體的選取和處理27
• 3.2.2 噴涂粉末的選取和處理27-28
• 3.3 正交設(shè)計工藝參數(shù)優(yōu)化28-38
• 3.3.1 正交試驗設(shè)計28-29
• 3.3.2 正交試驗結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化29-37
• 3.3.2.1 結(jié)合強(qiáng)度的測定及結(jié)果29-30
• 3.3.2.2 涂層孔隙率的測定及結(jié)果30-37
• 3.3.3 追加試驗和對涂層的機(jī)理分析37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第四章 PMN-PZT涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能分析39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 PMN-PZT涂層的結(jié)構(gòu)39-48
• 4.2.1 涂層的相結(jié)構(gòu)39-42
• 4.2.1.1 涂層的XRD分析39-40
• 4.2.1.2 涂層的XPS分析40-42
• 4.2.2 涂層的組織結(jié)構(gòu)42-48
• 4.2.2.1 涂層的微觀形貌分析42-44
• 4.2.2.2 PMN-PZT涂層孔隙率44-46
• 4.2.2.3 PMN-PZT涂層的透射（TEM）分析46-48
• 4.3 PMN-PZT涂層的力學(xué)性能48-49
• 4.3.1 涂層的顯微硬度48
• 4.3.2 涂層的納米硬度和彈性模量48-49
• 4.3.3 結(jié)合強(qiáng)度49
• 4.4 本章小結(jié)49-51
• 第五章 PMN-PZT涂層電學(xué)性能研究51-57
• 5.1 涂層的電滯回線測量51
• 5.2 涂層的壓電信號分析51-53
• 5.3 涂層的介電性能分析53-55
• 5.3.1 涂層的介電溫譜53-54
• 5.3.2 涂層的介電頻譜54-55
• 5.4 涂層的其他電學(xué)性能分析55-56
• 5.4.1 涂層的阻抗-相位角頻率譜55
• 5.4.2 涂層的電容-電感頻率譜55-56
• 5.5 本章小結(jié)56-57
• 第六章 第一性原理計算分析57-65
• 6.1 引言57
• 6.2 實驗方法57-58
• 6.3 結(jié)果與分析58-63
• 6.3.1 能帶結(jié)構(gòu)58-59
• 6.3.2 價電荷密度59-60
• 6.3.3 電子態(tài)密度60
• 6.3.4 光學(xué)性質(zhì)60-62
• 6.3.5 熱力學(xué)性質(zhì)62-63
• 6.4 本章小結(jié)63-65
• 第七章 結(jié)論與展望65-67
• 7.1 主要結(jié)論65-66
• 7.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 攻讀碩士期間取得的成果71-73
• 致謝73-74

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