叉指式压电纤维复合材料驱动器的优化设计、制备与性能测试研究

摘要

叉指式压电纤维复合材料是近年来研究最多的一种压电纤维复合材料，它采用叉指式电极与压电纤维复合材料相结合的方式，兼具压电陶瓷的压电活性和聚合物的一定柔韧性、低声阻抗等特点，并具有较高的厚度机电耦合系数和压电应变常数、低的机械品质因数和声阻抗。它适合制作高灵敏度、宽带、窄脉冲的换能器，是医疗超声、结构无损检测和水声换能器的理想材料。针对叉指式1-3型压电纤维复合材料的驱动性能，本文进行了理论仿真优化分析，依据优化分析结果设定实验，制备出叉指式1-3型压电纤维复合材料驱动元件，对其进行了驱动性能测试等方面的研究。
　　 主要的研究工作如下:
　　 1、介绍了正逆压电效应的基础知识和理论，论述了有限单元法在压电复合材料分析中的基本理论和方法;
　　 2、应用有限元分析软件COMSOLMultiphysics对压电纤维复合材料进行了初步的静力学分析，重点分析了分支电极的宽度、分支电极的间隙以及基体的厚度对压电纤维复合材料驱动性能的影响。
　　 3、总结出一套易于操作的制备叉指式1-3型压电纤维复合材料工艺流程。利用自行设计加工的挤压模具制备出高性能压电纤维，依据仿真结果设计出叉指式电极的关键几何尺寸，采用排列-浇注法制备叉指式1-3型压电纤维复合材料，成功的进行了两相材料的复合、固化、印刷电极、固化、极化、成型等一系列试验。
　　 4、为了研究叉指式1-3型压电纤维复合材料元件的驱动性能和传感性能以及正交异性等特性，设计并进行了一些实验测试。结果表明压电纤维复合材料良好的驱动性能和传感性能，且具有显著的正交异性特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 压电材料研究概况

1．2．1 压电材料的研究历史

1．2．2 压电复合材料的概念及研究进展

1．2．3 1-3型压电复合材料

1．3 本文研究的主要内容

第二章 压电复合材料基本理论

2．1 压电效应

2．1．1 正压电效应

2．1．2 逆压电效应

2．2 压电振子的四类边界条件及对应的压电方程

2．2．1 压电振子的边界条件及压电方程

2．2．2 压电方程中各常数的物理意义

2．2．3 压电方程中各常数之间的关系

2．3 压电纤维复合材料的有限元研究

2．3．1 有限单元法概述

2．3．2 利用有限单元法解决压电问题的研究

2．4 本章小结

第三章 IDEPFC元件的有限元仿真分析

3．1 IDEPFC元件的有限元研究方法

3．1．1 IDEPFC元件的有限元分析

3．1．2 有限元模型

3．2 仿真结果分析

3．2．1 电极宽度对驱动性能的影响

3．2．2 基体厚度对驱动性能的影响

3．2．3 电极间隙对驱动性能的影响

3．3 本章小结

第四章 IDEPFC元件的试验制备

4．1 压电纤维复合材料中组份材料的选择

4．1．1 压电陶瓷材料的选择

4．1．2 聚合物的选择

4．2 压电纤维的制备研究

4．2．1 压电纤维的制备方法

4．2．2 压电纤维的制备

4．3 叉指式电极的设计与制作的研究

4．3．1 叉指式电极的制备方法

4．3．2 叉指式电极的制备过程

4．4 本章小结

第五章 IDEPFC元件性能测试研究

5．1 IDEPFC元件主要参数的测试

5．1．1 介电常数ε的测试

5．1．2 谐振频率的测试

5．1．3 介电损耗tgδ的测试

5．1．4 机械品质因数Qm的测试

5．1．5 机电耦合系数的测试

5．1．6 频率常数的测试

5．2 IDEPFC元件正交异性特性测试

5．2．1 断铅实验

5．2．2 落球冲击实验

5．3 IDEPFC元件的损伤定位实验

5．3．1 激励信号的选择

5．3．2 实验原理与步骤

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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