改性PMN-PZT压电陶瓷及其柔性MFC驱动器的制备与性能研究

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本文的工作主要是通过固相反应法制备出xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(Zr0.49Ti0.51)O3三元系压电陶瓷,通过对其相结构及电学性能的分析确定准同型相界的位置在x=0.18附近。然后,我们制备了0.18Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.82Pb(Zr0.49Ti0.51)O3+x wt%Cr2O3陶瓷,研究不同质量分数的Cr2O3对该三元系压电陶瓷性能的影响,确定出最佳的Cr2O3掺杂量。在此基础上,我们选择性能最佳的0.18Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.82Pb(Zr0.49Ti0.51)O3+0.15 wt%Cr2O3陶瓷为原材料,通过切割-填充法制备MFC压电纤维复合材料驱动器。并研究了不同的压电纤维宽度对其电学性能与弯曲性能的影响以及不同环氧树脂对其弯曲性能的影响。首先,在对xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(Zr0.49Ti0.51)O3体系压电陶瓷的实验数据分析后,我们发现当x=0.18时,此处组分的陶瓷接近准同型相界,综合性能最好;该处陶瓷各项电学性能参数为:最大介电常数?m=21280,介电损耗tanδ=2.02%,特征居里温度Tm=302 oC,压电系数d33=556 pC/N,平面机电耦合系数kp=0.61,机械品质因素Qm=90.7,矫顽场Ec=10.61 kV/cm,剩余极化强度Pr=37.28μC/cm2。其次,我们用不同质量分数的Cr2O3对0.18Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.82Pb(Zr0.49Ti0.51)O3三元系压电陶瓷进行掺杂改性,制备出0.18Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.82Pb(Zr0.49Ti0.51)O3+x wt%Cr2O3(x=0,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.50)陶瓷。通过对其性能测试的数据分析可知,当x=0.15时,该组分的陶瓷接近于准同型相界,其各项性能参数为:?m=25813,tanδ=1.72%,Tm=299 oC,d33=535pC/N,kp=0.62,Qm=128,Ec=13.99 kV/cm,Pr=28.90μC/cm2。最后,以0.18Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.82Pb(Zr0.49Ti0.51)O3+0.15 wt%Cr2O3陶瓷为原材料制备MFC驱动器。实验结果显示,随着纤维宽度增大,驱动器电致应变性能提高,但是同时,驱动器弯曲性能明显降低。此外,同样条件下对于使用了nmSiO2改性的E44环氧树脂填充液的MFC驱动器,其弯曲性能明显更好。从综合性能来看,试验样品中综合性能最好的要数使用nmSiO2改性的E44环氧树脂填充液且纤维宽度为0.4 mm的MFC驱动器,该驱动器具有较好的弯曲性能,且其平均纵向电致应变值μ?约为384;平均横向电致应变值μ?约为216。
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