0-3型压电复合材料的压电性能研究

1-3型压电复合材料发射换能器研究

ａｄｔｅｔｃｎｓｍｄｆｈｅｉｅｒｅｔｕｅｎｉｋｅｓｏｅｏｔｅｄｓｎｄｐｏｃｏｉｐｒ．ｈｈｇｊｒｓ
Ｋｅｗｏｄ：－ｉｚｃｍｘｉｓｎｅｗｔｒｏｄｔｎｄｃｒ；ｈｃｎｓ－ｏｅｏｃｌｔｎｄｌｆｉｌｍｅｔｅｈｄｙｒｓ１３ｐｅｏｏｔ￣ｔ；ｕｄｒａｅｕａｓｕｅｓｔｉｋｅｓｍｄｓｉａｉｓｍｏｅ；ｎｔｅｅｎｔｏｓｅｓｎｒｌｏｉｅｍ
等问题，提出了应用ＡＳＳ软件分析１３型压电复合材料发射器的方法，ＮＹ — 并利用此方法和厚度模式理度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析．研究结果表明，所采用
的有限元法计算结果与测试结果吻合较好，作的复合材料发射换能器谐振频率为３０ｋｚ最大发射电压响应为制０Ｈ，１８ｄ且厚度模态纯净．７Ｂ，关键词：— １３型压电复合材料；水声换能器；厚度模式理论；有限元法
ｄｅｓｔｉｄｃｌ，ｅｏｒｎｌｚｇａ１３ｐｅｏｏｏｉｒｊｃｒｙａｐｙｇＡＳＳｓｆａｅｗｓｒｓｎｒｓｈｓｉｕｔａｍｔｄｆａｉ・ｉｃｍｐｓｅｏｔｐｌｎＮＹｏｗｒａｅｅ－ｆｉｙｈｏａｙｎｚｔｐｅｏｂｉｔｐｔｄｙｕｉｇｈｅｏｎｉｎｓｍｄｅｒ，・ｐｅｏｏｐｓｅｐｏｃｒａｄｓｎｄｎａｄｔｎｔｅｅ．Ｂｓｅｍｔｄａｄｔｃｅｓｏｅｔｏｙａ１ｉｃｍｏｉｒｅｔｓｅｉｅ．Ｉｄｉｏ，ｈｎｔｈｈｋｈ３ｚｔｊｏｗｇｉ

1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究的开题报告

1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究的开题报告开题报告题目：1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究一、选题的背景和意义水泥基材料是一种常见的建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性，但其电学性能较差，限制了其在电子、通讯等领域的应用。

由于压电复合材料具有良好的电学性能和力学性能，因此将水泥基材料和压电材料复合起来，可制成具有压电性能的水泥基压电复合材料。

目前，已有一些研究报道了水泥基压电复合材料的制备与性能，但大多数研究集中于水泥基陶瓷材料与压电陶瓷材料的复合，缺乏对水泥基压电复合材料的深入研究。

因此，本课题旨在研究制备1-3型水泥基压电复合材料及其性能，为其在新能源、传感器等领域的应用提供基础研究。

二、研究的内容和步骤1. 制备1-3型水泥基压电复合材料将压电陶瓷离子热堆叠成棒状，并将其嵌入水泥基材料中，形成棒阵列。

制备过程中需控制压电陶瓷的分布密度和排列方式，以保证复合材料的力学性能和压电性能。

2. 测试复合材料的压电性能在复合材料上施加电场，观察其应变响应。

通过测量复合材料的压电系数、电容和电阻等参数，评价其压电性能。

3. 测试复合材料的力学性能和耐久性对复合材料进行拉伸、压缩和弯曲等力学性能测试，评价其力学性能；同时进行耐久性测试，观察其稳定性和使用寿命。

4. 研究复合材料的应用前景探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。

三、拟采用的研究方法和手段1. 材料制备：采用压电陶瓷离子热堆叠法，将压电陶瓷制成棒状，并嵌入水泥基材料中，形成1-3型压电复合材料。

2. 性能测试：采用电学测试、力学测试和耐久性测试等方法，评价复合材料的性能。

3. 应用研究：通过实验验证和理论分析，探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。

四、研究的预期目标和成果1. 成功制备出具有压电性能的1-3型水泥基压电复合材料。

2. 系统地研究复合材料的压电性能、力学性能和耐久性能，并进行性能与结构之间的关联分析。

压电材料的参数及压电方程

压电材料的参数及压电方程一、压电方程对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce或e=sτ式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，又称弹性柔顺常数，表示材料的应力与应变之间的关系并且s=1/c上述关系式的物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正比。

2、压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD或D=εE，式中ε为电容率，又称介电常数（单位：法/米），它反映材料的介电性质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有关，即电容C=εA/t，式中A为两极板相对面积，t为两极间距离或者说是压电晶片的厚度，因而与压电体的电阻抗有关。

介电常数ε常用相对介电常数εr表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：εr=C介/C真空=ε介/ε真空（ε真空=8.85x10-2法/米）β为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，并且β=1/ε，不过这个系数一般较少使用。

上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处于电场E中时，电介质内部的电场可以用电位移D表示。

3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。

对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换（当然这并不确实，而仅仅是在简化分析时略去这两方面）。

因此，一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。

把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。

1-3型压电陶瓷纤维复合材料性能的理论分析与实验研究

线，化方向相反；３极化强度均匀分布。压电陶瓷极（）
纤维材料采用ＰＴ５由于电极层忽略不计，Ｚ一Ｈ，建立有限元模型时，电压直接加在压电陶瓷材料表面。分
析单元采用ｌ点四面体单元ＳＬＤ９。型平面０节ＯＩ８模结构尺寸为５ｍｍ１ｍ６ｘ５ｍ。建立叉指式电极ＰＣ传Ｆ
图２１３型ＰＣ传感元件电场示意图 — Ｆ
Ｆｇ２Ｅｌｃｒｉｌｋｔｈｏ－ｄＣｉ．ｅｔｉｆｄｓｅｃｆ１３ｍｏｅＰＦｃｅ
电场还是工作电场，决定其结构的因素是分支电极结
构、电瓷纤维直径和纤维间距Ｌ。分支电极的压
关键尺寸包括：电极中心距Ｐ电极宽ｗ。、
２２有限元建模．
ｌＥｓ
采用ＡＹＮＳＳ软件进行有限元分析时，可假设三
ｘＳ盯＝
Ｅｊ
个条件，忽略元件各个部分极化强度和极化方向的差别：）（极化方向平行于ｘ轴；）１（沿分支电极中心２
图１ — １３型ＰＣ传感元件结构示意图Ｆ
Ｆｉ１Ｓｒｃｕｅｏ－ｄＣｅｓｒｅｅｎｇ．ｔｕｔｒｆ１３ｍｏｅＰＦｓｎｏｌｍｅｔ
仿真分析，并通过实验验证了其独特的正交异性，能
区分特定方向应力波信号，从而为叉指式ｌ３型一
第３卷第４０期２０年ｌ０９２月
《陶瓷学报》
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＥＲＡＭＩＣＳ
Ｖｏ１０Ｎｏ．．３．４Ｄｅ．０ｃ２Ｏ９

1-3型压电复合材料设计分析

ｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｔｏｃｏｍｐｏｓｅｔｈｅ１－３ｍｏｄｅ
ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＰＺＴ一５Ｈｆｏｒｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｐｉｌｌａｒｓａｎｄｐｏｌｙｍｅｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｓａｍａｔｒｉｘ．ＶｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＰＺＴ一５Ｈｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｐｉｌｌａｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｓｐａｃｉｎｇ．Ｔｈｏｕｇｈｈａｒｍｏｎｉｃ
ｐｈａｓｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｓｈａｖｅａｇｏｏｄａｇｅｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ（ＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ），ｔｈｅｈｉ【ｇｈｅｓｔｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｎ
塾皇塑鱼

1—3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

ｆｃｎｉｐｏｅｔｅａｔａｉｎｃｐｂｌｙｏｃｕｔｒＩｄｉｉｎ。ｈｒｅｓｒｉｌｉｃｅｓｕｈｌｍｐｄｓｒｓｌａｍｒｖｈｃｕｔａａｉｔｆａｔａｏ．ｎａｄｔｏｉｏｔｅｆｅｔａｎｗｉｎｒａｅｂｔｔｅｃａｅｔｅｓｗｉｌｌｄｃｅｓｅｉｈｒｐｌｅｄｈｂｉｍｐｏｅ．ｅｒａｅｗｈｎｈｇｅｏｙｒｗｉｔｓｅｌｙｄｍＫｅｒｓｙｗｏｄ１３ｐｅｏｌｃｒｃｆｅｏｏｉｓｃｕｔｎｃｐｂｌｙ，ｆｎｔｌｍｅｔｍｅｈｄ，ｆｅｔａｎ－ｉｚｅｅｔｉｉｒｃｍｐｓｔ，ａｔａｉａａｉｔｂｅｏｉｉｉｅｅｎｔｏｅｒｅｓｒｉ
ＡｂｔａｔｓｒｃＴｈｉｉｅｅｅｅｔｍｅｈｄｉａｏｔｄｔｄ１ｈｃｏｅｅｔｏｅａｉｍｏｅｆ－ｉｚｅｅｔｉｆｅｆｎｔｌｍｎｔｏｄｐｅＯｍｏｅｅｍｉｒ－ｌｃｒｍｅｈｎｃＳｔｄｌ３ｐｅｏｌｃｒｉｏ１ｃ —
叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明：支电极中心距Ｐ一定时，分取较大的分支电极宽度Ｗ可得到较大的自由应变和夹持应力；３分支电极宽度Ｗ不变时，ｐｗ的增加，＂－随／自由应变增加而夹持应力减小；采用交叉指形电极结构可使１３型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性，向效应系数可提高２３倍。较小－横．的聚合物层厚度ａ纤维截面尺寸ｆ、有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能，小的纤维间聚合物宽度ｂ有助于提较

压电材料的结构及其性能研究

石英为例,沿(100)的应力会产生极化,而沿(001)的应
力就不会引起极化。因此,具有压电性能。
! 常见压电材料举例
2.1 常用压电晶体
2.1.1 石英(水晶)
石英晶体属 32(即 D3) 点群 ,六方晶胞的 c 轴
是沿三重轴的,而 a 轴和 b 轴则分别沿着互成 120°
的二重轴。光线
! 前言
压电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术新材料,在信息激光、导航和生物等高技术领域应用广泛。压电陶瓷在现代功能陶瓷中占有非常重要的地位,具有广泛的用途。自 19 世纪 80 年代居里兄弟首先在石英晶体上发现压电效应后 [1], 压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,2000 年全球压电陶瓷产品销售额约达 30 亿美元以上,近几年压电陶瓷在全球每年销售量按 15%左右的速度增长。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良, 压电陶瓷的技术应用愈来愈广,而且随着电子、信息、航空航天高科学技术领域日新月异的发展, 压电陶瓷材料的制作技术和应用开发方兴未艾, 将越来越受到人们的关注和重视。压电材料按物理结构分类如图 1。
" 压电效应
某些介质在机械力作用下发生电极化和电极化的变化,这样的性质称为压电效应[4]。电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两端面出现等量反号的束缚电荷变化,看起来这是由于压力造成了电
收稿日期 :2005-06-13
压电材料分类如下:
!
!石英(SiO2 )
# #
##酒石酸钾钠(NaKC4 H4 +4H2 O 即 KNT)
PVDF:(CH2CF2)n 形成链状化合物 ,n(>10 000) 为聚合度。从结构分析中得知这种材料中晶相和非晶相的体积约各占 50%。 PVDF 有 !、"、# 和 $ 四种常见的晶型。铁电相只存在于 " 相中。 2.3.2 奇数尼龙

基于FEM的水泥基压电复合材料的性能分析

用较广的一类压电复合材料［］Ｉｏ但由于土木工程－２
元进行分析，能够得到复合材料内部的应力、应变
分布和电压、电位移分布。对复合材料的实际应用提供实验所无法给予的指导和帮助。本文对水泥基压电复合材料建立了有限元模
型。分析了水泥基压电复合材料的压电性能，得出了材料内部的位移和应变分布以及压电应变常数
基于ＦＭ的水泥基压电复合材料的性能分析Ｅ
张宗振，徐东字，鞠超，黄世峰，程新
（济南大学材料科学与工程学院，山东济南２０２）５０２
摘要：建立了１３型水泥基压电复合材料的有限元模型，并对其进行了静力分析、模态分析和瞬态动力学分－析。得到了水泥基压电复合材料的内部应力应变分布、水泥基体对复合材料压电性能的影响、复合材料的厚度振动模态和在动态载荷下的响应情况。发现水泥基压电复合材料产生的驱动应变和节点应力都集中在压电陶瓷柱上，高泊松比和低弹性模量的水泥基体能够增加复合材料的压电性能；低频下水泥基压电复合材料的振动特性与压电陶瓷相同，且对外部的动态激励有着良好的线性响应。关键词：智能材料；水泥基压电复合材料；有限元模型
根据压电方程压电陶瓷的本构关系矩阵可以
基金项目：国家自然科学基金资助项目（０４０２５９２２）新（９３）１６一