压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换的材料,由于其良好的物理化学性能,广泛应用在振荡器、传感器以及各类水声、超声等方面,遍及日常生活的方方面面。因此,深入开展对等离子喷涂压电陶瓷涂层的研究,将对挖掘其性能、扩展其使用范围有重要的理论意义和实用价值。本文通过采用等离子喷涂(APS)技术在45#钢基体表面制备了铌镁酸铅-锆钛酸铅复合陶瓷涂层(PMN-PZT涂层),利用正交优化选取了最佳的喷涂工艺参数。借助XRD、SEM、XPS、TEM、三位形貌仪、显微硬度测试仪、纳米硬度仪、电滞回线测量仪、d33准静态测量仪以及介电常数测量系统等多种检测手段和分析方法表征了涂层的成分、组织结构、力学性能、电学性能。通过第一性原理方法研究了计算了具有相似结构的压电陶瓷的性能。最终的研究结果表明:(1)等离子制备PMN-PZT压电陶瓷涂层的最佳工艺参数为喷涂距离90mm、喷涂电流400A、喷涂电压85V、主气流量3.0m3/h,得到了涂层与基体的结合强度为53MPa,孔隙率为2.75%的PMN-PZT智能压电陶瓷涂层。(2)涂层表面有一定粗糙度,内部结构是由含铅量多的明亮区域以及含铅量少的较暗区域组成,这是由喷涂过程的受冷不均匀造成的。涂层平均硬度为427HV0.025,材料的平均弹性模量和平均纳米硬度分别为106.718GPa和6.811GPa。(3)PMN-PZT涂层的介电性能稳定较稳定,随着频率的增加,介电常数值降低,居里温度升高。极化电压为3kV/mm,极化时间为28min,极化温度为140℃为PMN-PZT涂层的最佳极化条件,此时PMN-PZT涂层压电常数d33最高可达27pC/N。材料的自振频率为325 kHz。由以上结论,可以判断采用等离子喷涂方法制备PMN-PZT智能压电陶瓷涂层是可行的,利用压电涂层对零件运行过程中的服役状态进行实时监测具有十分广阔的发展前景,但需要更加深入的研究。