PNN／PZT系梯度功能压电陶瓷离子互扩散动力学

研究了ＰＮＮ／ＰＺＴ系梯度功能压电材料中各类离子互扩散反应及其随温度和时间的变化。用电子探针测量了互扩散偶的组分分布，利用“薄板叠加”扩散模型，对Ｎｉ＾２＋、Ｎｂ＾５＋，Ｔｉ＾４＋和Ｚｒ＾４＋的扩散浓度分布曲线进行数值逼近计算，确定了互扩散层的厚度，估算了各离子的扩散系数及其表现激活能。     

PZT系梯度功能压电驱动器的谐响应特性

研究了PZT系梯度功能压电驱动器谐振状态的机电响应特性，通过改变驱动电场和频率，研究其谐振频率和顶端位移的变化特性。结果表明：增加电场，谐振频率减小，谐振点位移增大，并逐渐趋向饱和。在谐振点附近，悬臂梁弯曲位移达到最大值。     

PNN/PZT系梯度功能压电材料的离子互扩散

本文研究了PNN／PZT系梯度功能压电材料中,不同离子（Nb⁵⁺、Ni²⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺）的互扩散反应随扩散温度和扩散时间的变化规律．利用电子探计（EPMA）测量了离子的组份分布,确定了离子互扩散层的厚度．采用“薄板扩散叠加”模型,对Ni²⁺、Nb⁵⁺、Ti⁴⁺和Zr⁴⁺离子的组份分布进行了计算机数值模拟,结果与EPMA实验相吻合．估算了离子的扩散系数与表观激活能,并对此进行了讨论．     

具有大驱动位移的复合结构型PZT压电陶瓷

采用PZT作为基体材料,通过化学还原的方法制备了具有大位移驱动能力的复合结构型压电陶瓷。研究了其预制应力的分布,探索了还原制备工艺,测试了驱动性能。结果表明,复合结构的优化设计方案是,还原层厚度比率为0.3;与普通压电陶瓷驱动器相比,复合结构型PZT压电陶瓷具有较低的谐振频率,驱动位移量提高3倍多;还原层相结构中存在二次氧化的基体相,表明其还原工艺仍需改进。      

铈掺杂对PZT压电陶瓷性能的影响

研究了铈掺杂对PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷材料的相组成、微观结构、介电性能、压电性能及铁电性能的影响,并对实验结果做出物理机理的解释.实验结果表明,适量的铈掺杂有利于材料结构的致密,提高了体电阻率,解决了材料在高温高场下极化困难的问题,在铈掺杂量为0.4%(摩尔分数)时,制备出综合性能良好的PZT压电陶瓷:室温时εr=958,tgδ=0.24%,d33=239pC/N,Kp=0.45,Qm=886,适合制备大功率压电陶瓷.     

碳/碳/Al2O3陶瓷功能梯度材料的制备与研究

从功能梯度材料的原材料的筛选、制备工艺路线的确定出发,对碳/碳/Al2O3陶瓷功能梯度材料的组分分布、微观结构、烧蚀性能及热学性能进行了研究.从试样内表面向外表面,基体碳含量从88%变化到近乎为15%,而Al2O3陶瓷含量从12%变化到85%左右.材料内表面氧-乙炔烧蚀率为0.012nn/s,这表现为碳/碳材料的特性.材料外表面的导热系数达到0.86W/m·K(25℃),表现为良好的隔热效果.     

PZT薄膜厚度对BMT/PZT复合薄膜结构及介电性能的影响

采用液相旋涂法制备了Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)复合薄膜,研究了PZT薄膜厚度对BMT/PZT复合薄膜结构及介电性能的影响。随着PZT薄膜厚度的增加,BMT/PZT复合薄膜的介电常数呈线性增加。当PZT薄膜的厚度较小时,会明显地增加BMT/PZT复合薄膜的介电损耗;当继续增加PZT薄膜的厚度,介电损耗反而下降直到与BMT薄膜的介电损耗值接近。这是由于PZT的介电常数与介电损耗均明显高于BMT薄膜所致,而异质界面的存在抑制了PZT薄膜中畴壁的运动,使其对复合薄膜介电损耗的影响减弱。研究结果表明,PZT薄膜的引入可以提升BMT薄膜的介电常数而对介电损耗的影响不大。     

PNN-PZT系FGM压电陶瓷的性能及执行器的设计与研制

阐明了FGM(Functionally Gradient Materials)压电执行器和FGM压电超声马达所用FGM压电陶瓷应具备的特性。系统地分析了Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(ZrTi)O_3(PNN-PZT)三元系陶瓷的介电和压电性能,探讨了F_R F_T结构相变对材料的介电及压电性能的影响,提出PNN-PZT三元系陶瓷是一种能综合满足FGM压电执行器及超声马达性能要求的优良材料。深入地研究了PNN-PZT三元系陶瓷的Bi、Zn掺杂改性规律。论述了FGM压电执行器的结构及工作原理,推导出FGM压电执行器自由端弯曲位移的理论计算公式,并确定了FGM夹层优化的电性能梯度化指数。采用粉末冶金法成功地研制出PNN-PZT系FGM压电陶瓷执行器,并测量了弯曲位移特性。执行器剖面SFM形貌观察和EDAX组分分析表明,压电层、FGM层(中间夹层)及介电层的平均晶粒尺寸呈梯度增大,Ni、Ti组分在夹层区域近似线性逆向梯度分布,Nb、Zr组分分布具有相同的变化规律。采用“薄板扩散叠加”模型,对PNN-PZT系FGM压电材料扩散离子的浓度分布进行了计算机数值模似,其结果与EPMA实验吻合。确定了扩散层厚度随扩散温度和时间的变化规律。估算了离子的扩散系数及表现激活能,并从结晶化学的观点对离子的扩散系数与表观激活能的差别进行了解释。     

致密PZT95/5铁电陶瓷低温相结构与电性能研究

采用固相法制备了致密PZT95/5铁电陶瓷, 研究了低温下致密PZT95/5铁电陶瓷相结构和电性能的变化规律。变温X射线衍射(XRD)研究表明, 低温(-60℃)下极化和未极化致密PZT95/5铁电陶瓷相结构保持不变。电性能研究表明随着温度从30℃下降至-60℃, 致密PZT95/5铁电陶瓷的相对介电常数从278显著下降至173, 而电阻率和剩余极化强度基本保持不变。结合冲击波载荷下动态放电模拟分析, 发现相对介电常数的降低将引起动态电场增大至常温下的1.5倍, 这可能是导致致密PZT95/5铁电陶瓷低温下击穿概率显著增大的关键因素。     

(Ba_xSr_(1-x))TiO_3/Mg_2TiO_4组分梯度陶瓷的制备及介电性能

采用叠层法制备了(Bax Sr1-x)TiO3/Mg2TiO4组分梯度陶瓷。采用XRD、SEM、EDS及介电性能测试等手段分析了材料的微观结构和介电性能。结果表明:1375℃烧结3 h的样品较致密、结晶良好,由钙钛矿和尖晶石两相复合而成,且材料内存在Ba/Sr比组分梯度;与不含梯度的复合陶瓷相比,梯度陶瓷不但保持了较大的介电可调度,而且具有较好的介电性能温度稳定性;在室温(20℃)和2 kV/mm电场下,典型样品的介电可调度可达21.9%,当温度升高到60℃时,其可调度仍然保持在较大的值(9.3%)。温度稳定性的改善可归因于不同组分的(Bax Sr1-x)TiO3具有不同的铁电-顺电相转变温度,组分梯度的设计有利于该类材料应用温度范围的拓宽。     

PZT陶瓷粉体及其PVDF压电复合材料的制备与性能

采用溶胶-凝胶法合成PZT压电陶瓷粉体,经XRD和SEM分析显示,陶瓷颗粒已形成了钙钛矿型结晶相,颗粒大小在0.1~1μm之间。采用溶液共混法将PZT粒子均匀分散于PVDF基体中,制备了PZT/PVDF压电复合材料。结果表明,增加PZT含量有利于复合材料压电性能的提高,当陶瓷体积分数达70%时,复合材料的压电常数最高。     

压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺及其性能研究进展

本文首先介绍了压电材料的种类和基本性能,然后介绍了在不同的应用背景下压电陶瓷／聚合物复合材料的十种连通方式,综述了这类压电材料的制备工艺,较全面地总结了前人对这类压电材料的性能研究工作,展望了这类压电材料的应用前景和发展方向     

具有压电元件的功能梯度弹性薄板的振动特性

考虑一功能梯度薄板,其上下表面嵌有压电执行元件。根据逆压电效应,将电场强度转换成作用于板上的等效电载荷。假设梯度材料的物性参数为板厚度方向坐标的幂函数,应用达朗贝尔原理,导出了具有压电元件的功能梯度弹性薄板的动力学方程。采用变量分离与Navier解,得到四边简支功能梯度板的固有特性与电场强度间的关系。并进一步通过数值例子讨论了电场强度、材料的梯度指数等对板固有特性的影响。研究结果表明,调整作用于执行元件上的电场强度可以实现对板的振动特性的控制,而材料的梯度化可影响板的固有频率,在设计中应予以考虑。     

ZnO/PVDF压电复合材料的制备及性能

采用超声模板法制备了平行束状纳米ZnO晶须,将其与压电高聚物PVDF复合,用热压法制备六种含平行晶须状纳米ZnO不同质量分数与不同形态、尺寸的ZnO的ZnO/PVDF复合材料。经取向、极化后对其结构、形态及介电性和压电性能进行了系统测试。结果表明:尺寸与形态对压电复合材料的影响极大,球型、准球型、四针状纳米ZnO和非纳米ZnO与无定型PVDF复合,虽经同样条件极化处理,并无压电性能产生。与传统观念不同,即使主体为PVDF,但随着平行晶须状纳米ZnO含量的增加,电性能参数呈非线性增大,在ZnO含量仅为15%左右时就产生了复合材料介电常数ε和压电常数d33值的转折性突跃,与单一压电高聚物材料相比显著增加,且极化性能得到明显提高。     

PZT/CB/PVC压电导电高分子复合材料的吸声机理

基于压电导电原理,研制了一种新型吸声高分子复合材料,通过对PZT/CB/PVC高分子复合体系的压电性能、阻尼因子和吸声性能的测试分析,探讨了压电导电高分子复合材料体系中压电吸声途径的耗能机制,结论表明:导电相的添加,一定程度上提高了压电导电高分子复合材料的吸声性能.     

Analysis of Functionally Graded Magneto-Electro-Elastic Composites Using Hybrid/Mixed Finite Elements and Node-Wise Material Properties

A new class of hybrid/mixed finite elements, denoted "HMFEM-C", has been developed for modeling magneto-electro-elastic (MEE) materials. These elements are based on assuming independent strain-fields, electric and magnetic fields, and collocating them with the strain-fields, electric and magnetic fields derived from the primal variables (mechanical displacements, electric and magnetic potentials) at some cleverly chosen points inside each element. The newly developed elements show significantly higher accuracy than the primal elements for the electric, magnetic as well as the mechanical variables. HMFEM-C is invariant through the use of the element-fixed local orthogonal base vectors, and is stable since it is not derived from a multi-field variational principle; hence it completely avoids LBB conditions that govern the stability of hybrid/mixed elements. In this paper, node-wise material properties are used in order to better simulate the spatial material grading of the functionally graded materials (FGM). A computer code was developed, validated and used to calculate the three magnetoelectric (ME) voltage coefficients for piezoelectric-piezomagnetic (PE-PM) composites, namely, the out-of-plane, transverse and in-plane ME voltage coefficients. The effects of the piezoelectric phase volume fraction as well as the mechanical boundary conditions and loadings on the ME voltage coefficients are investigated. Also, the effects of grading functions in PE-PM composites with functionally graded layers, as well as single-layered functionally graded magneto-electro-elastic materials, on the three ME voltage coefficients are presented.     

Effect of TiC Content on Mechanical Properties and Microstructure Evolution of TiC/Inconel 718 Functionally Gradient Materials by Direct Energy Deposition

TiC/Inconel 718 functionally gradient materials are prepared by direct energy deposition technology. The effect of TiC content on microstructure and mechanical properties of TiC/Inconel 718 functionally gradient materials is studied. With the increase of TiC content, the microhardness and carbide grain of the specimen are improved, and the density is reduced. The grain of the specimen changes from columnar dendrites to equiaxed crystal, and the equiaxed crystal size is decreased with the increase of TiC content. However, when TiC content is above 10 wt%, the number and size of the Laves phase, coarse TiC primary, and TiC secondary dendrite are increased which causes the generation of cracks. When the TiC content is above 5 wt%, the size of carbide and the number of cracked UMT increase and the impact toughness decreases. Therefore, the optimal maximum TiC content of TiC/Inconel 718 functionally gradient materials is 5 wt% when the laser power is 2200 W.