3-2型压电复合材料的静水压特性研究

基于压电复合材料的串并联理论以及等效参数理论,推导了3-2型压电复合材料的等效性能参数的计算公式,并针对PZT5/环氧树脂618构成的3-2型复合材料,将计算值与实验结果进行了比较,对理论公式进行了验证,结果表明二者吻合较好.应用理论公式对3-2型压电复合材料的压电性能进行了分析,得出3-2型压电复合材料比1-3型压电复合材料具有更高的静水压压电常数,同时确定了3-2型复合材料中压电陶瓷体积百分比的优选范围.     

超声和水声用压电复合材料的研究进展

压电复合材料相比普通压电陶瓷具有高的灵敏度、低的声阻抗及良好的柔韧性等优点,是制作超声和水声换能器的首选材料.综述了1-3和3-3型压电复合材料的传统及最新制备工艺技术特点,概述了该研究领域的主要理论成果,重点介绍了有限元方法在压电复合材料研究中的应用,并总结了压电复合材料在超声和水声换能器件方面的研究进展.在此基础上提出了压电复合材料在器件应用中面临并亟待解决的几个问题.     

3-3 型压电复合材料的有限元模型及材料参数对其性能的影响

根据均匀场理论分析3-3 型压电复合材料代表体积胞元, 通过罚函数方法引入周期性边界条件, 建立了3-3 型压电复合材料的有限元模型。数值计算结果与已有实验结果基本一致, 验证了模型的合理性, 并与解析解进行了对比, 表明该有限元模型能更精确地描述3-3 型复合材料的有效性能常数。用所建模型分析了基体相体积分数、复合材料基体泊松比、弹性模量和复合材料基体分布形状等参数对静水压压电常数值和静水压灵敏值的影响。      

一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法

非均匀厚度1-3型压电复合材料可用于制作宽带压电换能器,已广泛应用于水浸无损探伤、声波测井以及超声成像等领域。为分析该换能器的振动及其性能,提出了一种并联振子等效电路模型,将非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器看成并联的谐振器阵列,采用三维厚度伸缩振动模型对单个谐振器单元进行理论分析,得出了非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器的阻抗计算公式;为验证该模型的正确性,设计并制作了一个平凹的1-3型压电复合材料换能器;实验结果显示,并联振子等效电路模型能准确的分析非均匀厚度1-3型压电复合材料片的性能。结果表明,非均匀厚度换能器带宽的主要是由压电片的厚度差异决定,研究结果可为非均匀厚度宽带换能器的设计提供参考。     

1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料的理论模型

根据Chan的1-3型复合材料理论模型和Newnham的复合材料串并联理论,提出了一种用于计算新型1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料的介电常数和压电常数的理论模型.并制备了一批1-3-2型压电复合材料样品,把理论模型的计算值与实际测量的材料参数进行了比较,结果表明两者符合较好,误差小于10%.     

水泥基压电复合材料的研究进展

综述了水泥基压电复合材料的研究进展.对于0-3型水泥基压电复合材料,压电陶瓷相的性能、复合材料的制备工艺以及微观结构等对其压电及介电性能有重要影响.压电陶瓷相含量越高、粒度越大,复合材料的压电响应就越大.提高极化电压有助于增强复合材料的压电响应.增加成型压力可提高复合材料微观结构的致密性,从而提高压电性能.总结了压电陶瓷的体积分数、形貌以及环境湿度与1-3型水泥基压电复合材料的性能关系,介绍了2-2型水泥基压电复合材料的传感效应及驱动效应的相关研究成果,最后展望了该领域的发展前景.     

1-3型压电复合材料的机械品质因素

采用切割-填充法制作1-3型压电复合材料,PZT-5A作为压电相,改性618环氧树脂作为聚合物相。研究了1-3型压电复合材料的机械品质因素Qm值与压电相的体积分数及形状参数的关系。压电相的体积分数及形状参数优选后的1-3型压电复合材料可获得较低的机械品质因素Qm值,其值可达10,谐振频率可达850kHz,频带宽度可达86kHz。     

压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。     

1-1-3型压电复合材料的振动模态研究

对1-1-3型压电复合材料进行了振动形态的分析。1-1-3型压电复合材料选用PZT-5H、硅橡胶和环氧树脂制备而成。从制备的两组样品的实验证明该复合元件相比传统的1-3型压电复合材料具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗。通过PSV-400型激光测振仪测量其振动形态,发现其中压电陶瓷柱的振动为主动振动,模态为电场平行于长度方向的纵向伸缩模态。该结构的复合元件充分发挥了压电柱本身的压电性能,进而提高了整个元件的压电性能,使得该复合元件更适合应用于水声换能器。     

基于ANSYS的0-3型压电复合材料电荷分布

通过MATLAB软件对陶瓷颗粒均匀分布的0-3型压电陶瓷/聚合物复合材料进行了建模, 通过有限元分析软件ANSYS, 研究了压电复合材料受力时内部应力分布及电荷分布状态, 同时研究了压电陶瓷颗粒体积分数及静态载荷变化时, 压电陶瓷/聚合物复合材料中压电陶瓷产生的最大节点电压的变化情况。研究表明: 压电陶瓷/聚合物复合材料在受力时, 压电相受到的应力远远大于聚合物相, 压电相棱角处受到的应力最大, 产生的电荷最多。随着压电陶瓷体积分数变化, 压电复合材料中压电陶瓷产生的最大节点电压也增加, 当压电陶瓷体积分数达到30%时, 产生的最大节点电压达到2.86×10^-5 V。随着静态载荷的增加, 压电复合材料产生的最大节点电压呈线性增加, 阻尼效果越明显, 与文献中的实验结果吻合。     

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交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:分支电极中心距P一定时,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;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,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1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍.较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低.     

基于ANSYS的0-3型压电复合材料电荷分布

通过MATLAB软件对陶瓷颗粒均匀分布的0-3型压电陶瓷/聚合物复合材料进行了建模,通过有限元分析软件ANSYS,研究了压电复合材料受力时内部应力分布及电荷分布状态,同时研究了压电陶瓷颗粒体积分数及静态载荷变化时,压电陶瓷/聚合物复合材料中压电陶瓷产生的最大节点电压的变化情况.研究表明:压电陶瓷/聚合物复合材料在受力时,压电相受到的应力远远大于聚合物相,压电相棱角处受到的应力最大,产生的电荷最多.随着压电陶瓷体积分数变化,压电复合材料中压电陶瓷产生的最大节点电压也增加,当压电陶瓷体积分数达到30％时,产生的最大节点电压达到2.86×10-5V.随着静态载荷的增加,压电复合材料产生的最大节点电压呈线性增加,阻尼效果越明显,与文献中的实验结果吻合.     

1-3-2压电陶瓷/聚合物复合材料圆柱型换能器制备

改进的1-3(1-3-2)型压电复合材料由1-3压电复合材料与陶瓷基底沿陶瓷极化方向串联而成,其不仅具有与1-3复合材料相同的优点,而且克服了1-3复合材料遇热和受压容易变形等缺点。利用改进的1-3型压电复合材料制作的圆柱型水声换能器在直径为70mm时,其谐振频率为72kHz;发射电压响应为139dB;在20～60kHz频率范围内接受电压灵敏度为-212(起伏±4dB)。换能器水平方向具有基本均匀的指向性,垂直方向波束宽度为12°。     

改性PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能

采用复合材料模压工艺,制备了体积分数不同的改性PZT(含铌的钛锆酸铅)/PVDF(聚偏二氟乙烯)压电复合材料。采用扫描电镜对材料的形貌进行了分析,并利用HP4294A,Z-3A型准静态测试仪等系统地研究了改性PZT体积分数对材料介电、压电性能的影响。结果显示,在改性PZT体积分数为70%时,获得了性能优良的压电复合材料。在压电陶瓷高含量区(>0.5),部分压电陶瓷颗粒相互联接,形成了类似0-3(3-3)型复合连通形式,是复合材料获得优良压电、介电性能的主要原因。     

1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题,采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料,设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性,电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比,证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低,相对带宽达61%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍,以及较高的电声转换效率η为54%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究,得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。     

1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能

采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.375PbTiO₃-0.25PbZrO₃压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d₃₃、 机电耦合系数K_p与K_t、 机械品质因数Q_m、 介电常数ε_r和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g₃₃值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。      

吸声覆盖层的理论模型和数值仿真

运用Furukawa微观模型获得了0-3型压电陶瓷/橡胶复合材料的等效参数,在此基础上,建立了0-3型压电陶瓷/橡胶复合材料的吸声模型并通过数值仿真分析了该复合材料的参数对它的吸声系数的影响。     

应用ANSYS分析聚合物和压电相对1-3型PCM传感性能的影响

1-3型压电复合材料(PCM)是一维连通的压电相平行排列于三维连通的基体相中而形成的具有压电效应的两相压电复合材料.本文首先比较了分析压电复合材料性能的两种不同方法--解析法和有限元法的优缺点,接着应用ANSYS软件分析了基体相性能和压电相性能对压电复合材料传感性能的影响.研究结果表明:选择低值泊松比、低弹性模量、高剪切模量的基体相和低泊松比、高弹性模量、低介电常数的压电相能有效提高1-3型压电复合材料的传感性能.     

0-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的压电性能研究

采用溶液共混法和热压法分别制备了PZN-PZT/PI、PZN-PZT/PVDF 0-3型压电复合材料,所得材料具有较高的压电常数和良好的可柔性加工性能。并研究分析了无机压电陶瓷种类、含量,压电聚合物类型、制备工艺与极化参数对压电系数d₃₃的影响,在一定程度上提供了提高0-3型聚合物/陶瓷压电复合材料的压电性能的途径。