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本论文将激光材料制备技术与改善压电陶瓷物理性能的研究紧密结合,对激光制备钨青铜结构无铅压电陶瓷进行了系统研究。
论文首先从热传导方程出发,建立了激光辐照/烧结陶瓷温度场模型,采用有限差分法和有限元方法对模型进行求解。通过优化计算方法和完善边界条件,使得在降低运算量的同时计算结果与实验测量结果仍然吻合较好。分析了激光辐照温度场与激光工艺参数的关系,并在此基础上制定出合理可行的CO2激光辐照陶瓷的实验方案。
研究了激光对Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷的辐照效应,逐一分析了激光各工艺参数对激光辐照温度场的影响,并在此基础上制定出CO2激光辐照Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷的实验方案。进行了系统的激光辐照陶瓷实验,制备出压电常数比普通烧结陶瓷明显提高的Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷,其中Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷的剪切振动模式压电常数d15增大作用最为明显,从62pC/N提高到了120pC/N,提高将近一倍。分析表明:压电性的提高与陶瓷剩余极化强度提高有关,而剩余极化强度的提高是因为陶瓷晶粒较小易于偏转,使陶瓷在极化时有较多的电偶极子沿施加电场方向取向,从而得到更大的极化强度;另外,激光辐照时的温度梯度使陶瓷晶粒c轴在垂直于激光辐照方向上有某种程度的取向,陶瓷晶粒的取向也有利于铁电、压电性的提高;最后,激光辐照提高了陶瓷的密度,陶瓷致密度的提高也对其物理性能的提升有一定贡献。
采用激光烧结技术在室温、空气气氛的常压条件下制备出比传统炉烧工艺压电性能更好的Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15和Sr1.86Ca0.14NaNb5Oi5陶瓷。通过数值模拟.优化了激光烧结陶瓷的工艺参数。对激光烧结和传统炉烧陶瓷的物理性能测试和比较表明,激光烧结技术不但可以在短时间内制备出陶瓷而且制备出的陶瓷的压电性能有所提高。对激光烧结压电陶瓷的分析表明,激光烧结可以提高致密度.使晶粒尺寸较小并有一定的取向性。这是因为激光烧结是一个高温急冷的非平衡烧结过程,容易获得普通烧结方法难以制备的具有特殊物理性能的新材料。