基于有限元法压电纤维复合物结构的模拟优化

利用有限元软件ANSYS模拟分析电极结构、压电陶瓷纤维厚度及体积分数等结构参数对纤维内部电场分布及复合物驱动应变性能的影响规律。结果表明:具有交叉指形电极结构的压电纤维复合物在纤维内部存在不均匀电场区域,其强度和体积分数共同制约着复合物的驱动应变性能。在恒定电场条件下,当交叉指形电极宽度为纤维厚度的一半时,复合物具有最大应变量;厚度较小的压电陶瓷纤维内部的均匀电场强度较高和体积分数较大,进而有利于提高复合物的驱动应变性能。在恒定电压条件下,电极指间距越大,复合物的驱动应变量越小。当指间距和指宽的比>10时,应变量可达到理想状态的90%。压电陶瓷纤维体积分数越高的复合物越容易获得较大的驱动应变性能。     

电压特性对压电纤维复合物驱动性能的影响

压电纤维复合物因机电响应速度快、驱动能力强和柔性佳成为智能材料领域的研究热点之一。压电纤维复合物作为驱动器时,在不同的应用领域对于驱动电压特性有不同的要求。本文通过自由应变和悬臂梁顶端位移研究压电纤维复合物在不同电压幅值、偏置、波形下的驱动应变性能。结果表明:随着驱动电压幅值增大,压电纤维复合物自由应变值和驱动性能随之增大。压电纤维复合物的横向和纵向自由应变分别随着电压偏置的增大而降低,相应的悬臂梁顶端位移量减小。当用方波驱动时压电纤维复合物的纵向自由应变值和横向自由应变值分别为2061.4×10~(-6)和574.9×10~(-6),顶端位移量为1.614mm,比正弦波和锯齿波的驱动值更大,其原因主要是电压的阶跃性导致瞬间施加在压电纤维上的电场强度较大。     

PYN对BS-PT压电陶瓷变温压电性能的影响

用前驱体法制备出了BS-x PT-y PYN(y=0.1,0.15,0.2,0.3)压电陶瓷。对压电陶瓷MPB处进行变温铁电、介温、变温应变等变温测试,重点分析其温度稳定性和弛豫性能。结果表明,各MPB组分都有良好的温度稳定性,在0.32BS-0.58PT-0.1PYN中,铁电性能随着温度升高而逐渐增强,其余3个组分基本保持不变;而随着PYN含量的增加,PT的减少,体系弛豫性逐渐增强。     

纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响

采用高能球磨法研磨出PZT-5纳米粉料，添加外购的纳米有机添加剂，按照传统的固相工艺法制备出了压电陶瓷材料，研究分析纳米粉料和纳米有机添加剂对压电陶瓷性能的影响。通过测试分析可以看出，纳米压电粉料与纳米有机添加剂的综合作用，降低了材料的烧结温度、相对介电常数εr,Qm值和以d31，提高了压电应变常数d333，从而压电电压常数g33、gh、dh成倍提高，这些对制作宽带、高灵敏度的换能器是很有好处的。     

MnSb含量对PMSZT压电陶瓷性能的影响

以固态氧化物为原料,采用传统方法制备PMSZT大功率压电陶瓷.研究MnSb含量对Pb1.04(Mn1/3Sb2/3)yZrxTi1-x-yO3陶瓷的相组成、显微结构及电性能的影响.结果发现Zr含量x=0.47,MnSb含量y=0.05时,组成处于准同型相界,晶粒致密均匀.随着MnSb含量的增加,居里温度降低.电性能在此组成处最佳ε33T/ε0=1420,d33=320pC/N,Kp=O.624,Qm=2400,tanδ=0.0030.Pb1.04(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48O3陶瓷介电和压电性能良好,可以满足大功率压电材料的使用要求.     

铁掺杂对PNW-PMS-PZT压电陶瓷结构和性能的影响

采用传统电子陶瓷工艺制备了(PNW-PMS-PZT-x ω/%Fe2O3)四元系压电陶瓷,分析了陶瓷样品的相结构组成,结果表明1150℃烧结陶瓷为纯钙钛矿相结构,随着Fe2O3掺杂量的增加,材料体系由四方相向三方相过渡;随着Fe2O3添加量的增加,晶粒逐渐变大.详细研究了不同剂量的铁掺杂对压电陶瓷介电和压电性能的影响,随着Fe2O3掺杂量的增加,εr,d33和kp逐渐增加,Fe2O3掺杂量为0.2ω/%时达到各自的最大值,然后逐渐降低;随着Fe2O3掺杂量的增加,tanδ和Tc逐渐减少,Qm逐渐增大.Fe2O3掺杂量为0.2 ω/%的PNW-PMS-PZT压电陶瓷适合制作大功率压电陶瓷变压器.其性能为εr=1965,tanδ=0.0059,kp=0.642,Qm=1358,d33=360 pC/N和Tc=225℃.     

压电纤维复合材料的发展、模拟及应用

压电材料同时具有驱动和传感性能,被广泛应用于各种智能结构中.圆形压电纤维复合材料和方形压电纤维复合材料作为两种新型压电复合材料,因其独特的结构而具有比压电陶瓷片更优异的性能.采用数值法和分析法对复合材料的结构参数及各组分材料性能进行评估从而预测复合材料的性能是目前的研究热点.压电纤维复合材料被广泛应用于振动及噪声控制、结构健康监测、结构变形及能量收集等领域,并能对上述领域的进一步发展发挥关键作用.     

银粉对PZT压电陶瓷电极表面结构和性能的影响

本文重点讨论不同银粉对PZT（PbZrO3-PbTiO3)压电陶瓷电极表面结构及性能的影响。选择合适的银粉，配制成银浆，可以烧结出结构平整，致密，性能优良的PZT表面银电极。     

烧结温度对PMSZT压电陶瓷性能的影响

探讨了烧结温度对SiO2掺杂锑锰锆钛酸铅Pb(Mn1、3Sb2、3)0.05Zr0.47Ti0.48O3(简称PMSZT)压电陶瓷性能的影响.通过X射线衍射及扫描电镜分析Pb(Mn1、3Sb2、3)0.05Zr0.47Ti0.48O3 0.1%(SiO2)(质量分数)陶瓷的相组成和显微结构.结果表明合成温度900℃时,可以得到钙钛矿结构.对于适量SiO2掺杂PMSZT压电陶瓷,可以在1100～1150℃时烧结实现致密化,并且介电压电性能较好,当烧结温度为1100℃时综合性能最佳,E33T/ε0=1290,tanδ=0.45%,d33=264 pC/N,Kp=0.59,Qm=2400.     

压电纤维复合物驱动应变性能的模拟和优化

压电纤维复合物因具有较大的驱动应变和良好的柔韧性而成为智能材料领域的研究热点之一。采用有限元法分析各结构参数对压电纤维复合物驱动应变性能的影响规律。结果表明:电场在交叉指形电极边缘发生聚集,且在此区域的电场强度约为均匀部分电场强度的4倍,因此,应用过程中压电纤维极易在电极边缘部分因应力集中而产生裂纹,从而降低复合物的驱动性能;指间距越大,复合物的驱动应变量及电场分布越接近于理想情况;采用高体积分数的压电陶瓷纤维、电极与纤维之间较小的聚合物层厚度均有利于提高智能压电纤维复合物的驱动应变性能;方形压电纤维复合物较圆形压电纤维复合物的驱动应变性能至少可提高60%。     

Effect of fiber characteristics on fracture behavior of C_f/SiC composites

Cf/SiC composites were prepared by precursor pyrolysis-hot pressing, and the effect of fiber characteristics on the fracture behavior of the composites was investigated. Because the heat treatment temperature of fiber T300 (below 1500℃) was much lower than that of fiber M40JB (over 2000℃), fiber T300 had lower degree of graphitization and consisted of more impurities compared with fiber M40JB, suggesting that T300 exhibits higher chemical activity. As a result, the composite with T300 showed a brittle fracture behavior, which is mainly ascribed to a strongly bonded fiber/matrix interface as well as the degradation of fibers during the preparation of the composite. However, the composite with M40JB exhibits a tough fracture behavior, which is primarily attributed to a weakly bonded fiber/matrix interface and higher strength retention of the fibers.     

悬臂梁压电系统性能分析与应用研究

基于压电效应,设计了一种包含悬臂梁、压电片、磁铁和驱动马达的新型压电系统,通过对其发电性能的优化分析,将该系统应用于自行车警示灯装置中,并作为自主供电系统.首先利用ANSYS对压电悬臂梁进行结构应力和动力学分析,探讨尺寸变化对发电性能的影响,进一步利用圆盘的转动和磁力的作用使压电悬臂梁弯曲变形并增加其振幅,研究了磁铁不同间距、马达转速对输出电压的影响,并进行了电路分析实验.结果表明:将该压电系统装配在自行车上,车轮转速240 r/min,磁铁间距为15 mm时,可输出4.42 V电压,LED灯能保持稳定点亮状态,作为自行车夜间警示灯使用具有较好的效果.     

Shielding performance of metal fiber composites

Metal fibers have been applied to construct composites with desirable electromagnetic interference shiel ding effectiveness and mechanical properties. Copper and stainless steel fibers were prepared with micro-saw fiberpulling combined cutting method. The cross section of the fibers is hook-like, which is beneficial to the improvement of bonding strength. Cement-based composites with copper and stainless steel fibers were fabricated and their electromagnetic shielding effectiveness was measured in the frequency range of 1 - 5 GHz. The results show that the electromagnetic interference shielding effectiveness of those composites is enhanced by the addition of metal fibers,which functions mainly due to the absorption. At some frequencies, 20 dB or more difference is obtained between the materials with and without metal fibers.     

连续SiC纤维增强钛基复合材料界面反应研究

针对连续SiC纤维增强钛基复合材料界面反应速率、反应产物进行了研究.采用基体-纤维涂覆法和热等静压工艺,制备了连续W芯SiC纤维增强TC17复合材料.对复合材料进行不同温度、不同时间热暴露,通过SEM、TEM、EDS,表征分析了界面反应层厚度、界面处化学成分及界面反应产物类型.结果表明:C涂层能有效保护SiC纤维;界面反应层处的主要元素为Ti和C;制备状态试样的界面反应产物为TiC1-x,靠近C涂层的TiC1-x晶粒较细小,靠近基体TiC1-x晶粒较粗大;高温热暴露使界面反应加剧,反应层厚度增加,反应层的生长符合抛物线规律,反应的动力学参数为频率因子k0=1.33×10-3m·s-1/2,反应激活能Q=243.22 kJ·mol-1.     

钨丝直径对锆基复合非晶材料穿甲性能的影响

针对4种不同直径钨丝/锆基非晶复合材料弹芯,在(1270±40)m/s撞击速度,开展了侵彻均质半无限装甲钢板实验研究,并与普通钨合金进行了对比。研究发现,在相同的制备工艺条件下,钨丝直径对该复合材料弹芯侵彻效果影响较大,主要表现:(1)在理想侵彻的条件下,钨丝直径对该种材料的侵彻性能影响较大,弹丸侵彻深度和钨丝直径关系曲线是凸的,Φ0.7 mm钨丝方案丸侵彻深度最大,最大侵彻深度为55 mm,相对于钨合金材料威力提高了25%,其根本原因是Φ0.7 mm钨丝方案在侵彻过程中呈现与铀合金类似的绝热剪切破坏特征,弹坑底部呈现90o的自锐角。(2)钨丝直径对弹芯在高速条件下的侵彻体头部破坏形式有着重要的影响,随着钨丝直径的增加,其头部的破坏模式随直径变化存在一个从变形+劈裂+弯曲+断裂的复合破坏模式到绝热剪切破坏演变过程,然后又从绝热剪切向复合模式破坏转变。     

Fabrication of dense 2D SiC fiber-SiC matrix composites by slurry infiltration and a stacking process

This paper reports a new process for producing dense 2D SiC fiber-SiC (SiC/SiC) composites through slurry infiltration and stacking. The processing strategy for the fabrication of the 2D SiC/SiC composites involves: (i) infiltration of the SiC fiber fabric using a SiC slurry, (ii) stacking the slurry-infiltrated SiC fiber fabric and SiC tapes alternately at room temperature, (iii) pyrolysis of the stacked composites and (iv) hot-pressing the pyrolyzed composites. It was possible to obtain dense 2D SiC/SiC composites with relative densities of >96% by controlling the hot-pressing time at 1750°C.     

碳纤维含量对Al2O3+C/ZL109混杂复合材料摩擦磨损性能的影响

利用挤压铸造法制备了A1203 C／ZLl09短纤维混杂金属基复合材料，并探讨了A1203纤维体积分数为12％时，C纤维含量对该混杂复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着C纤维体积分数的增加，复合材料的摩擦因数和磨损率逐渐降低。12％A1203和4％C短纤维的协同作用使复合材料从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷比基体合金提高了1倍。当载荷低于临界载荷时，复合材料的主要磨损机制为犁沟磨损和层离，C纤维的加入有利于磨损表面裂纹尺寸的减小。但随着载荷的逐渐增加并发生严重磨损时，基体和复合材料的磨损机制均为严重的粘着磨损甚至局部熔化磨损。