3D打印钛酸钡多孔压电陶瓷及其性能研究

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本文采用面曝光固化(DLP)3D打印技术制备了钛酸钡(BaTiO3)无铅压电陶瓷,对浆料配方、打印参数和热处理参数等进行了探索。之后,采用了多种测试手段,对BaTiO3压电陶瓷进行了性能表征,并探究孔隙率与压电性能的调控关系。研究了BaTiO3压电陶瓷浆料的配方制备,并探索出适合3D打印的工艺参数。探究BaTiO3陶瓷的脱脂烧结工艺,根据TG/DSC数据判断,水分、树脂、引发剂等BaTiO3陶瓷的坯体成分在600℃下基本完成分解。通过烧结后BaTiO3样品在X、Y、Z三个方向上的线收缩率,晶粒生长结合质量和微观组织分布形貌,确定其在1425℃的烧结温度下烧结2h为最佳烧结热处理工艺参数。基于得到的最佳热处理参数,对本研究制备的BaTiO3进行了性能表征;由微观组织可知,BaTiO3的晶粒充分生长,且结合致密,没有明显缺陷的存在,其相对密度达到94.2%。通过Raman和EDS实验得出制得的BaTiO3成分组织纯净,并无其他杂质;沿不同方向打印烧结的BaTiO3试条存在明显的各向异性,水平方向打印的试条三点抗弯强度达到57.9 MPa。设计了18组极化参数的正交试验,通过压电系数d33测试得出最佳的极化参数为60℃下2 kv极化电压极化60 min,其最大的d33值达到了241 pc/N。基于对不同孔隙率下BaTiO3陶瓷进行极化和d33测量,拟合出了变孔隙率调节BaTiO3陶瓷压电性能的指导公式。最后,采用力学与电学的有限元模拟方法,对10%-90%孔隙率下BaTiO3陶瓷的力学和压电性能进行了应力分布与电势分布研究。随着孔隙率的增大,其力学性能会有降低,但电势分布明显趋于均匀化,未来可通过掺杂生物陶瓷来实现适合生物组织均匀生长的骨植入物的制备。
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