压电纤维OPCM传感元件设计分析、制备与性能测试研究

摘要

1-3型压电复合材料既具有PZT高压电性能，又具有聚合物的低声阻抗、一定柔韧性等特点，是近年来研究最多的一种压电纤维复合材料，其优越的独特的性能在声学、医疗、控制、航空航天等领域得到了广泛的应用。同样，压电纤维复合材料传感元件是声发射技术中(AE)普遍采用的元件。有鉴于此，本文针对1-3型压电纤维复合材料的传感性能进行了理论仿真，试验并制作出压电纤维复合材料元件，进行了其传感性能测试等方面的研究。主要的工作内容如下： 1.简要介绍了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，及其一般步骤。 2.基于有限单元法对压电纤维复合材料进行了初步的静力学分析，重点分析了影响复合材料性能的几个因素：压电纤维直径、分支电极间距、分支电极面的宽度、压电相和聚合物相的体积比，以及两相材料的几个物理量，如弹性模量、泊松比、介电常数等。通过计算仿真初步得出，采用直径较小的压电纤维，较宽的分支电极间距、较窄的分支电极面和一定的体积比，可以获得较好的传感性能，而两相材料的物理参量对复合材料性能影响较小。基于计算结论，建立了一些实体模型。 3.探讨出一套简单实用制作复合材料的工艺流程。研制出高性能压电纤维，设计并制作了铜交叉电极，较为成功的进行了材料的复合、固化、热极化、封装成型等一系列试验。 4.对压电纤维复合材料元件进行传感性能和驱动性能以及正交异性等特性的测试。结果表明压电纤维复合材料具有显著的正交异性特性，良好的传感性能和驱动性能。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题来源

1.2压电材料研究概况

1.2.1压电晶体产生压电效应的机理

1.2.2压电材料研究历史回顾

1.3压电复合材料的研究现状

1.3.1国内外研究现状和发展水平

1.3.21-3型压电复合材料研究进展

1.4本文研究主要内容

第二章压电复合材料基本理论及有限元分析方法

2.1压电效应及其表达式

2.1.1正压电效应

2.1.2逆压电效应

2.2压电材料的压电方程

2.3压电材料的主要性能及表征常数

2.4压电复合材料有限元研究方法

2.4.1压电复合材料的有限元分析方法

2.4.2压电复合材料有限元分析过程

2.5本章小结

第三章压电纤维OPCM元件传感性能有限元仿真与分析

3.1影响压电复合材料性能的因素

3.2压电纤维复合材料电场分布特点和假设

3.3压电纤维复合材料的有限元仿真与研究

3.3.1有限元建模

3.3.2加荷载求解

3.3.3材料组分的几何尺寸对复合材料性能影响研究

3.3.4材料组分特性对复合材料性能影响的有限元分析

3.3.5两相材料各个参量对复合材料正交异性的影响分析

3.4本章小结

第四章压电纤维OPCM元件试验制作的研究

4.1环氧树脂材料性能特点简介

4.2 PZT纤维的制备实验研究

4.3交叉电极的设计与制作的研究

4.4压电纤维复合材料的实验制作

4.4本章小结

第五章压电纤维OPCM元件性能测试研究

5.1压电纤维OPCM正交异性特性测试

5.2压电纤维OPCM元件传感特性标定

5.3压电纤维复合材料驱动性能测试

5.4本章小结

第六章结论和展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的主要论文