摘 要

压电纤维复合材料在压电传感、驱动、能量采集、振动抑制等领域具有重要的应用。作为压电纤维复合材料的功能相，压电纤维对复合材料的性能起着决定性的作用。目前，常用的主要是基于含铅PZT体系压电纤维，这与环境协调性的要求相悖。因此，迫切需要寻找一种性能优良、无铅环保的新型材料来取代含铅压电纤维的使用。

本文选择了性能优异的0.5Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃（BCZT）陶瓷，通过机械切割法制备压电陶瓷纤维，实现压电陶瓷纤维化。在此基础上，研究了外加电场强度、频率，以及环境温度等外界因素对BCZT压电陶瓷纤维铁电和电致应变性能的影响，为基于无铅BCZT纤维的复合材料设计奠定基础。本文主要结果如下：

(1) 制备得到的BCZT压电纤维为单一的钙钛矿结构，无明显杂相，显微结构均匀致密，截面为矩形。在相同的截面尺寸下，BCZT压电纤维的长度对其电致应变性能影响不大，但较陶瓷块体相比其应变特性明显增强。这表明纤维化的BCZT能够更好的应用于微型压电驱动器件之中；

(2) 外加电场强度对压电纤维的铁电和电致应变性能有较大的影响。随着电场强度的增加，剩余极化强度值逐渐增加，应变显著增大，在外加电场强度增加至2 kV/mm时，剩余极化强度值为7.58 μC/cm²，最大应变值为0.27%；

(3) 外加电场频率的变化对压电纤维的电致应变曲线影响十分明显，当压电纤维处于高频率（f = 100 Hz）下，样品纤维极化跟不上外加电场频率的变化，导致极化不充分，其电致应变曲线从低频时的对称变得极不对称；

(4) 压电纤维的铁电和电致应变性能同时也受温度的影响，随着温度的升高，剩余极化强度逐渐降低，最大应变值则不断减小，温度升至120 °C时最大应变值仅有0.038%。

关键词：BCZT；压电纤维；机械切割法；外场响应；电致应变

Abstract

Piezoelectric fiber composites, which play a significant role in many fields, including sensor, actuator, energy harvesting, vibration suppression and so on. As the functional phase of piezoelectric fiber composites, piezoelectric fibers determine the properties of composite material. Nowadays, lead-based PZT system ceramic is used extensively, which is opposite to the requirement of environmental coordination. Therefore, it is urgent to find a new kind of material with high properties and environmental protection to replace the leaded piezoelectric fibers.

This paper uses Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃(BCZT) ceramic system with an excellent piezoelectric coefficient. The fibers were fabricated by mechanical cutting. Then on this basis, we investigated BCZT’s ferroelectric and field induced strain properties of the response and the regularity of electric field and temperature. The conclusions indicated the following contends:

(1) Firstly, we have gotten BCZT piezoelectric fiber, which holds pure perovskite structure, microstructurally compact, rectangular section. The length of the fiber has little influence on the fibers’ field induced strain under the same section. Also, the consequence compared with ceramic indicates that fibers can be applied to micro piezoelectric actuators better.

(2) Secondly, external electric field has a great influence on the ferroelectric and piezoelectric properties of the fibers. The remanent polarization and the maximum strain become higher with the external electric field increasing. When the external electric field added to 2kV/mm, the P_r is 7.58μC/cm², and the maximum strain is 0.27%.

(3) Then, it is obvious that the graph of field induced strain changes when the external electric frequency altered. The field strain curve of the fiber sample turn to extremely asymmetry and unsaturation under the high electric field frequency (f = 100 Hz), which because the polarization of fiber cannot catch the changes of the frequency however, if we reduce the frequency, the result shows better.

(4) Similarly, with the increase of the temperature, the maximum strain and remanent polarization decline. The maximum drops to 0.038% when the temperature up to 120°C.

Key Words: BCZT; piezoelectric fibers; mechanical cutting method; the response of the external electric field; field induced strain.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 压电纤维复合材料研究现状 1

1.2.1 PZT基压电纤维复合材料 1

1.2.2 无铅压电陶瓷及纤维复合材料 2

1.2.3 压电纤维的制备 4

1.3 压电材料外场响应 5

1.3.1 环境温度的影响 5

1.3.2 外加电场的影响 6

1.4 研究主要内容 7

第2章 BCZT无铅压电陶瓷纤维的制备与性能表征 8

2.1 实验原料及设备 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 实验仪器及设备 8

2.2 压电陶瓷纤维的制备与表征 9

2.2.1 压电陶瓷纤维的制备 9

2.2.2 压电纤维结构表征 10

2.2.3 压电陶瓷纤维性能表征 10

第3章 BCZT压电纤维的表征及外场响应研究 12

3.1 BCZT压电纤维物相与形貌表征 12

3.2 长径比对BCZT压电纤维性能的影响 13

3.3 外加电场强度对BCZT压电纤维性能的影响 15

3.4 外加电场频率对BCZT压电纤维性能的影响 16

3.5 环境温度对BCZT压电纤维性能的影响 18

第4章 结论与展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

传统的压电陶瓷由于具有良好的压电和铁电等性能而被广泛地应用于压电换能器、驱动器、传感器等领域。然而，压电陶瓷也存在一定缺陷，影响着其在某些领域的应用。例如纯压电陶瓷的声阻抗高达30 Mrayl^[1]，远远高于水和人体软组织的声阻抗值，使得两者在实际应用中不易匹配耦合，对于其在水声换能、超声波探测以及无损探测等领域的应用造成了很大阻碍。于是，研究者们开始尝试使用声阻抗小、匹配度高的压电聚合物材料来替代传统的纯压电陶瓷。然而，压电聚合物较差的压电性能使其无法在实际中被广泛应用。20世纪70年代，研究者开始将两种或多种压电相材料与非压电相材料复合，制备出压电复合材料。该类新材料在集合了压电陶瓷优异压电性能与压电聚合物声阻抗小等优点的同时，克服了这两者的弱点，具有良好的压电性能。在水声换能器、无损检测、超声波探测等领域得到广泛研究和应用。在20世纪90年代，Bent等^[2]因为压电纤维的尺寸效应，提出了压电纤维复合材料（PFC），充分利用其功能相优异压电性能，使其在驱动器、传感器中的作用大大增强。21世纪初，主动纤维复合材料（AFC）与宏观粗纤维复合材料（MFC）先后被麻省理工学院（MIT）^[3]的智能材料结构实验室与NASA^[4]的兰利研究中心成功研制出来。此后压电纤维复合材料作为压电复合材料的一支，凭借其纤维状陶瓷相的使用所具备的优异的纵向驱动性赢得了研究者的广泛关注。

1.2 压电纤维复合材料研究现状

1.2.1 PZT基压电纤维复合材料

PZT基压电复合材料具有优异的压电性能（d₃₃ = 600 pC/N）和高机电耦合系数（k_p = 0.4）是目前为止应用最为广泛的压电复合材料。随着上世纪Bent提出压电纤维复合材料之后，研究者发现因为压电陶瓷纤维在复合材料中的应用，使得复合材料聚合物基体和所加入的功能相压电陶瓷纤维的相容性更加完美，而且与此同时材料的柔韧性更好，能够适用于更多非平面的环境。压电陶瓷纤维具有轴向维度小尺寸，使其较普通块体材料具有了更好的柔韧性，同时其大长径比特点则可增大特定方向的应变和应力。迄今为止，越来越多的研究者将目光放在了压电纤维复合材料上。