一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点,被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料,软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量,进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷,本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_(1/2)Nb_(1/2))_(0.02)Zr_(0.51)Ti_(0.47)O_(3)-0.6%MnCO_(3)(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料,通过掺入一定含量的Li_(2)CO_(3)烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度,并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料,利用流延工艺制备出压电叠层驱动器,并与相同工艺制备的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.25)(Ti_(0.48)Zr_(0.52))_(0.75)O_(3)(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li_(2)CO_(3)通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050℃。当Li_(2)CO_(3)含量为0.1%(质量分数)时,高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优,其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下,PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20℃,且经过5×10^(6)次循环后应变仅降低6%。这表明Li_(2)CO_(3)低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能,而且在发热和疲劳特性方面有较大优势,在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

PZT-4和PZT-5材料的热释电性能评价及测试方法研究

针对目前PZT-4和PZT-5材料热释电性能缺乏系统研究的问题,采用固相烧结法制备了PZT-4和PZT-5材料,对所制备材料进行了SEM、XRD和介电温谱表征,应用静态和动态测量法相结合的方式,对所制备材料的热释电系数进行了研究,探究了正弦交变温度波振幅和频率对测试结果的影响,并对材料的热释电优值进行了计算。研究结果显示:在频率为16 mHz时,PZT-4和PZT-5材料分别于2.8 V和2.5 V获得了热释电系数的最大值;在电压为2.5 V时,PZT-4和PZT-5材料分别于24 mHz和40 mHz获得了热释电系数的最大值;两种材料的探测率优值均高于目前常用的PVDF材料。研究结果为PZT-4和PZT-5材料在热释电能量收集、非制冷红外焦平面器件等方面的潜在应用提供了定量化参考。

PZT基多层剪切型压电陶瓷致动器驱动性能

随着驱动技术向微型化与高精度化方向发展,压电致动器因其在精确位移控制和快速响应方面的优势而受到广泛关注。提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的多层剪切型压电致动器,并采用有限元分析方法及自主开发的新型实验平台对其驱动性能进行深入研究。结果表明,致动器的驱动性能主要受输入电压频率和幅值的影响,在适当的频率与低电压条件下可实现更高的调控分辨率。此外,当结构施加的预紧力超过最大负载时,致动器的驱动性能下降约50%,即通过预紧力可有效调控致动器的驱动性能,该结果为压电致动器的工作模式分析以及多层压电陶瓷的电学结构优化提供了重要的依据。

压电阻抗法中PZT片的形状选择研究

压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)片是压电阻抗法中普遍使用的传感器,首先,对厚度相同且面积相近的圆形、正方形、矩形、五边形、梯形PZT片对同一钢板上相同损伤及其严重程度的敏感性进行了对比。然后,利用有限元软件COMSOL对各形状PZT片主表面平面内位移进行了分析研究。结果表明:在压电阻抗法应用中,面积相同的PZT片,圆形、正方形和矩形对损伤及其严重程度的敏感性较优。矩形PZT片对损伤的敏感性具有方向性,对宽度侧的损伤更敏感。就形状这一单一因素而言,压电阻抗法中PZT片的性能差异,取决于其主表面平面内位移一致性。一致性越好,对损伤及其严重程度的识别能力越强。

用于能量收集器的PMnN-PZT压电陶瓷

试验采用固相合成法,通过Li_(2)CO_(3)掺杂,制得高能量密度的Pb_(0.95)Sr_(0.05)[(Mn_(1/3)Nb_(2/3))_(0.04)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))0.96]O_(3)+0.25wt%CeO_(2)+0.50wt%Yb_(2)O_(3)+0.15wt%Fe_(2)O_(3)三元系压电陶瓷材料。研究分析了掺杂不同质量分数的Li_(2)CO_(3)对PMnNPZT压电陶瓷材料的压电性能、介电性能、相组成及其微观结构的影响。结果显示:当掺杂量为0.1 wt%,烧成温度为1050℃时,材料结构致密,晶粒均匀,材料的压电和介电性能:d 33=340 pC/N,K_(p)=0.60,ε_(r)=725,tanδ=0.23%,Q_(m)=670,g_(33)=53.0×10^(-3)V·(m·N)^(-1),机电转化效率d_(33)·g_(33)为18016.8×10^(-15)m^(2)/N,满足能量收集器用压电陶瓷元件需要。

关于PZT压电陶瓷低温活化烧结的研究进展

从原料制备、烧结助剂、烧结工艺等方面详细介绍了促进PZT压电陶瓷低温活化烧结的方法,分析了晶体缺陷促进活化烧结的原理,并简要说明了烧结技术的发展方向。指出,在材料制备与应用的过程中,缺陷的生成对研究活化烧结工艺、降低制造成本以及制备性能优良的PZT压电陶瓷都具有重要的意义。

PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究

采用陶瓷坯膜流延成型和陶瓷坯膜／金属内电极共烧技术，制作了多层片式高含铅PZT软性压电陶瓷微驱动器．该器件具有体积小、工作电压低、位移量大（38V，105μm）的特点．本文对制作的多层片式器件在直流和单向交流工作电压的作用下产生的静态和动态位移特性，从PZT压电陶瓷材料的晶体和电畴结构特点进行了分析和研究．

基于PZT的微驱动定位系统及控制方法的研究

介绍了基于PZT驱动的一维微动工作台。该微动台采用柔性平行板铰链机构,对其进行了出力和位移关系的分析,并且进行了ANSYS的有限元分析设计,求得了系统的固有频率和最大位移。其理论分析、有限元计算和试验测试结果的对比分析的一致性说明了理论分析的正确性和数值分析的可靠性。使用精密光栅进行微位移闭环检测,使用哈工大博实精密测控公司研制的压电陶瓷驱动电源。采用单神经元自适应PID控制算法对系统进行控制,单神经元具有自学习和自适应能力,而且结构简单易于计算;而传统的PID调节器也具有结构简单、调整方便和参数整定与工程指标联系密切等特点。推导了单神经元自适应PID控制器,并进行了实验,微位移为20μm时的响应时间为12ms,实验证明了该方法的有效性。

新型PZT元件驱动的电液高速开关阀及其大功率快速驱动技术的研究

针对目前电液高速开关阀脉宽调制频率较低的问题,研制了新型压电元件驱动的电液高速开关阀,并研究了该阀的动态特性和静态特性。该阀属于两位三通型锥阀结构的数字阀,样机产品达到了下述性能指标:工作压力P1=10MPa,额定流量qv,n=8 L/min,开启时间ton≈1.2ms,关闭时间toff≈1.7ms。还分析了这种阀的驱动电路及其工作原理,利用电路的暂态分析理论研究了该阀的大功率快速驱动技术。

微波-水热法合成PZT粉体的研究

叙述了微波-水热法在制备电子陶瓷粉体中的应用，设计制造出基本满足使用要求的微波-水热反应釜，设计出微波-水热法制PZT压电陶瓷粉体的实验方案。制备了结晶完好、粒径分布均匀、平均粒径为2 ?m的PZT压电陶瓷粉体。

金属有机物热分解法合成的PZT纳米晶粉末的表征

以醋酸铅、庚酸氧锆和钛酸丁酯为原料，采用金属有机物热分解法成功地制备了ＰＺＴ纳米晶粉末，并通过ＸＲＤ，ＦＴＩＲ，ＤＴＡ，ＴＧ，Ｒａｍａｎ，ＴＥＭ等方法对纳米粉末的结构进行了表征．粉末粒径为２０—４０ｎｍ，大小均匀，颗粒呈球形，且分散性好．研究结果显示，金属有机物热分解法是制备ＰＺＴ或其它纳米粉末的一种很有前途的方法．

水热法制备PZT压电陶瓷粉体

本文报道了水热法制备 Ｐ Ｚ Ｔ 压电陶瓷粉体的研究结果， 给出了 Ｐ Ｚ Ｔ 粉体的结晶性与反应温度、反应时间和氢氧化钾添加量之间的关系， 用 Ｘ Ｒ Ｄ、 Ｓ Ｅ Ｍ 等测试手段分析了实验结果， 表明所得到的 Ｐ Ｚ Ｔ粉体为四方晶相钙钛矿结构， 粒子粒径为０６ ～２１μｍ ，

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF∶2HCl∶4NH4Cl∶4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2 400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的d31横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.

锰掺杂对硬性PZT材料压电性能的影响

研究了锰掺杂对ＰＺＴ材料微结构及压电性能的影响，并用ＥＳＲ确定了锰在ＰＺＴ材料中的价态．结果表明，锰在ＰＺＴ材料中主要以 Ｍｎ２＋和 Ｍｎ３＋的方式共存．锰在ＰＺＴ陶瓷材料中的“溶解度”约为１．５ｍｏｌ％．锰含量＜０．５ｍｏｌ％时，Ｍｎ将以Ｍｎ２＋和Ｍｎ３＋的方式优先进入晶格 Ｐｂ位，使材料的压电性能提高，表现出施主杂质特性；锰浓度处于 ０．５～１．５ ｍｏｌ％时，部分Ｍｎ将以Ｍｎ３＋或Ｍｎ２＋的方式进入晶格中（Ｚｒ；Ｔｉ）位，而此浓度范围内锰掺杂的ＰＺＴ材料同时表现出“软性”和“硬性”材料的压电特性．锰含量＞１．５ｍｏｌ％时，过量的Ｍｎ将在晶界积聚，使压电活性降低．少量Ｆｅ的存在，可使Ｍｎ离子的溶解度降低，并起到抑制Ｍｎ２＋和

多孔氧化铝模板结合sol-gel旋转涂敷法制备PZT纳米管

利用溶胶-凝胶旋转涂敷法在通孔的多孔阳极氧化铝(PAA)模板中制备了锆钛酸铅(PZT)纳米管,研究了溶胶浓度对样品形貌的影响。利用SEM和TEM观察了纳米管阵列和单根纳米管的形貌,采用XRD和EDS图谱分析了纳米管的相结构和化学元素组成。结果表明合成的PZT纳米管结晶良好,具有钙钛矿结构(属于四方晶系);纳米管具有较高的韧性但表面较粗糙,直径和管壁厚度分别约为75和7nm,直径与原始PAA模板的孔径相吻合。在一定范围内调节PZT溶胶的浓度(0.1～0.4mol/L),均能在PAA模板的孔洞中形成PZT多晶纳米管,且组成PZT纳米管的晶粒随着溶胶浓度的增加而变大。

PZT溶胶液静电雾化雾场模拟

通过对商用计算流体力学软件FLUENT进行功能扩展,实现了空气流场、空间电场和离散雾场多场耦合过程的数值模拟.由实验数据确定雾滴的滴径和电量,采用拉格朗日模型计算雾滴在重力、空气阻力、外部电场力及雾滴间相互库伦排斥力作用下的运动轨迹,并得到雾滴的速度与其空间分布密度,由此计算雾滴在衬底上的沉积通量.

热超声键合PZT阻抗和功率动态特性研究

鉴于热超声芯片封装工艺的键合点空间高度局部化和时间瞬态性等特点,通过分析系统前端PZT阻抗和功率的动态变化规律,研究了芯片金球凸点与基板的键合过程及键合质量。结果表明:对于恒压源的键合系统,PZT换能器电流、阻抗及功率信号可表征键合过程的动态变化,且可将金球凸点与基板键合过程分为初始、平稳、结束三个阶段;键合环境的变化反映在PZT阻抗和功率变化之中,且PZT阻抗和功率与键合强度存在直接关系。试验及分析表明,PZT换能器阻抗和功率变化反映了金球凸点与基板键合过程及键合质量的差别,可用以分析整个键合系统。

电极对PZT铁电薄膜性能的影响

用溶胶－凝胶法制备ＰＺＴ铁电薄膜。以Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ为底电极，Ａｕ为上电极，形成金属－铁电薄膜－金属结构的铁电电容器。研究电极对ＰＺＴ铁电薄膜结构和电性能的影响，实验发现，金属Ｔｉ的厚度会影响ＰＺＴ铁电薄膜的结构。界面层的存在使介电系数、自发极化、矫顽电压、漏电流都与薄膜的厚度有关。