PZT基壓電纖維及其復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備與外場(chǎng)響應(yīng)研究.pdf

1、壓電陶瓷纖維復(fù)合材料以壓電陶瓷纖維和聚合物基體復(fù)合而成，其既保留了壓電晶體材料高靈敏度和高頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，又克服了壓電晶體材料脆性大和柔韌性差等不足，且具有單向性能突出和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傳感、驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和能量采集等眾多領(lǐng)域，是壓電復(fù)合材料當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
　　本文以 PZT系列壓電陶瓷粉為原材料制備壓電陶瓷纖維，研究單根壓電纖維在外場(chǎng)作用下的應(yīng)變性能響應(yīng)及相關(guān)響應(yīng)機(jī)制；以MFC結(jié)構(gòu)壓電陶瓷纖維復(fù)合材

2、料為研究對(duì)象，以均勻場(chǎng)理論模型為基礎(chǔ)，采用有限元分析法對(duì)MFC結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從理論上探索壓電叉指電極結(jié)構(gòu)、壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)層和復(fù)合材料各組元的性能參數(shù)等與MFC應(yīng)變性能之間的相關(guān)性；根據(jù)優(yōu)化的MFC設(shè)計(jì)方案制備PZT系列壓電陶瓷纖維復(fù)合材料，研究不同驅(qū)動(dòng)電壓條件下MFC的驅(qū)動(dòng)性能，并探索其驅(qū)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制。本論文的研究工作和主要結(jié)論如下：
　　1、采用塑性聚合物法和切割法制備了不同截面形狀的PZT-5H和PMnS-PZN-PZT體系

3、壓電陶瓷纖維，并表征了單根壓電纖維的性能，研究了單根壓電陶瓷纖維在外加電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率、溫度及壓應(yīng)力等外場(chǎng)條件的應(yīng)變特性，研究表明，不同外場(chǎng)作用下壓電纖維呈現(xiàn)不同的極化響應(yīng)機(jī)制和應(yīng)變特性。對(duì)PZT-5H纖維而言，纖維的應(yīng)變隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增加近似線性增加，其有效壓電系數(shù)在矯頑場(chǎng)附近2 kV/mm時(shí)達(dá)到最大值2225 pm/V；隨著外加電場(chǎng)頻率的增加，纖維的應(yīng)變隨之增加，當(dāng)頻率達(dá)到20 Hz時(shí)應(yīng)變趨于穩(wěn)定；在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，

4、纖維的應(yīng)變持續(xù)增加；隨著軸向壓應(yīng)力的不斷加大，纖維應(yīng)變先增加后減少，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為3 MPa時(shí)纖維應(yīng)變達(dá)到最大。對(duì)PMnS-PZN-PZT體系壓電陶瓷纖維而言，其在外場(chǎng)作用下應(yīng)變特性與PZT-5H纖維相似，在相同條件下，PZT-5H纖維的應(yīng)變性能要優(yōu)于PMnS-PZN-PZT纖維。
　　2、以均勻場(chǎng)理論模型為基礎(chǔ)，采用COMSOL Multiphysic多物理場(chǎng)仿真模擬軟件建立 MFC有限元模型，研究了叉指電極結(jié)構(gòu)、壓電復(fù)合層結(jié)構(gòu)參數(shù)

5、對(duì)MFC應(yīng)變性能影響，研究表明，叉指電極結(jié)構(gòu)和壓電復(fù)合層結(jié)構(gòu)均會(huì)影響叉指電極與壓電纖維之間電場(chǎng)的傳輸，從而影響復(fù)合材料性能的發(fā)揮。在確定壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)層的前提下，叉指電極寬度為壓電纖維高度的1/2時(shí)MFC可獲得最佳的應(yīng)變性能；驅(qū)動(dòng)電壓確定的前提下，電極間距越小MFC應(yīng)變性能越好，但纖維內(nèi)部電場(chǎng)分布均勻性變差，影響其性能的發(fā)揮；隨著壓電纖維體積分?jǐn)?shù)的升高，MFC應(yīng)變性能快速增加，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過0.6時(shí)變化緩慢，并逐漸趨于穩(wěn)定；壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)層

6、中壓電陶瓷纖維與叉指電極間聚合物的厚度、壓電纖維的高度會(huì)影響MFC獲得最佳應(yīng)變性能時(shí)叉指電極的寬度，針對(duì)這些參數(shù)的變化需要重新設(shè)計(jì)叉指電極方案以獲得MFC最佳性能與叉指電極結(jié)構(gòu)之間的匹配。
　　3、在壓電復(fù)合層結(jié)構(gòu)固定的前提下，以 MFC有限元模型為基礎(chǔ)研究了復(fù)合材料中各組元性能參數(shù)對(duì)MFC應(yīng)變性能影響，研究表明，壓電纖維壓電常數(shù)和介電常數(shù)及聚合物的彈性模量和介電常數(shù)等參數(shù)對(duì)MFC的應(yīng)變性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。陶瓷纖維壓電常數(shù)對(duì)MF

7、C應(yīng)變性能影響最大，陶瓷纖維壓電常數(shù)越大，應(yīng)變性能越高；聚合物相彈性模量越大，聚合物對(duì)壓電陶瓷纖維的夾持作用越明顯，MFC應(yīng)變性能下降也越多；壓電纖維和聚合物的介電常數(shù)均會(huì)影響MFC獲得最佳應(yīng)變性能時(shí)叉指電極結(jié)構(gòu)，壓電纖維和聚合物的介電常數(shù)之比越大MFC應(yīng)變性能越好，同時(shí)獲得MFC最優(yōu)性能時(shí)電極叉指的寬度越小。
　　4、以PZT-5H和PMnS-PZN-PZT體系壓電陶瓷為功能相，以MFC有限元仿真結(jié)果為依據(jù)設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，采用

8、層疊-切割法制備了不同體系的MFC壓電纖維復(fù)合材料，研究了不同驅(qū)動(dòng)電壓條件下MFC應(yīng)變特性，研究表明，驅(qū)動(dòng)電壓幅值、驅(qū)動(dòng)電壓頻率和驅(qū)動(dòng)電壓波形均對(duì) MFC的應(yīng)變性能產(chǎn)生很大影響。MFC縱向和橫向應(yīng)變性能隨驅(qū)動(dòng)條件變化趨勢(shì)均一致；在固定驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值Vp-p的情況下，單極驅(qū)動(dòng)可以獲得比雙極驅(qū)動(dòng)更高的應(yīng)變性能和有效壓電系數(shù)；在固定驅(qū)動(dòng)電壓最大值Vmax時(shí)，負(fù)向偏置電壓Vbias越大（Vbias不超過矯頑電壓），MFC應(yīng)變性能越高；在矯頑電

9、壓以下，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，單極和雙極應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)最大應(yīng)變值均隨之升高，相應(yīng)有效壓電系數(shù)也隨之升高，且上升速度逐漸變慢，趨于平緩；驅(qū)動(dòng)電壓頻率越小 MFC應(yīng)變性能和有效壓電系數(shù)越高，隨著驅(qū)動(dòng)電壓頻率的升高，不同驅(qū)動(dòng)波形的應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的應(yīng)變性能及有效壓電系數(shù)均隨之呈現(xiàn)對(duì)數(shù)下降趨勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電壓頻率大于2 Hz后MFC的驅(qū)動(dòng)性能變化趨于平緩。對(duì)兩種壓電體系的MFC而言，驅(qū)動(dòng)電壓條件變化時(shí)，二者的變化規(guī)律基本一致，在相同條件下，PZT-5H基 M