【摘 要】
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压电陶瓷是一种用途广泛的先进功能材料,由于它硬且脆,不易加工,很难通过传统加工方式制备形状复杂的微型压电陶瓷构件。微立体光刻成型技术(μSL)作为一种先进的增材制造技术,具有成型样品表面光滑、形状复杂、尺寸精度高、制造速度快等优点,被广泛应用于微型压电器件的研究。本课题通过考察成型样品的机械力学和电学性能,优化微立体光刻成型技术打印压电陶瓷的制备工艺,实现性能良好、结构复杂的微型压电陶瓷构件。本文
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压电陶瓷是一种用途广泛的先进功能材料,由于它硬且脆,不易加工,很难通过传统加工方式制备形状复杂的微型压电陶瓷构件。微立体光刻成型技术（μSL）作为一种先进的增材制造技术,具有成型样品表面光滑、形状复杂、尺寸精度高、制造速度快等优点,被广泛应用于微型压电器件的研究。本课题通过考察成型样品的机械力学和电学性能,优化微立体光刻成型技术打印压电陶瓷的制备工艺,实现性能良好、结构复杂的微型压电陶瓷构件。本文主要工作包括:根据PZT压电陶瓷的浆料特性和打印烧结后机械力学性能,对光固化压电陶瓷浆料的制备、光刻成型过程、脱脂和烧结工艺进行优化。制备固含量75 wt%、粘度低、光固化活性高、分散均匀的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷浆料,通过微立体光刻成型系统实现微型、复杂压电陶瓷坯体的快速成型,并采用两步脱脂和传统烧结工艺获得致密的压电陶瓷构件。实验测得光刻成型PZT压电陶瓷构件的机械力学和电学性能均得到显著提高:密度ρ=7.35 g/cm3,维氏硬度Hv=3.13GPa,断裂韧性KIC=0.97 MPa·m1/2,弯曲强度σb=68.7 MPa,压电常数d33=600 pC/N,相对介电常数εr=2875,机电耦合系数kt=0.6236,与传统制备工艺制得PZT性能接近。基于上述工作,实现了固含量65 wt%、粘度适中、光固化活性高、分散均匀的锂、锑掺杂的铌酸钾钠（LS-KNN）无铅压电陶瓷浆料制备,并通过上述光固化、热处理步骤,制得致密性良好的微型无铅压电陶瓷构件。实验测得LS-KNN无铅压电陶瓷具有良好的机械力学和电学性能:密度ρ=4.09 g/cm3,维氏硬度Hv=1.89 GPa,断裂韧性KIC=0.76 MPa·m1/2,弯曲强度σb=54.7 MPa,压电常数d33=170 pC/N,相对介电常数εr=2150,机电耦合系数kt=0.35。研究结果表明,微立体光刻成型技术能够制备机械力学和电学性能好、尺寸精细、形状复杂的压电陶瓷及器件。
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