PZT基壓電纖維及其復合材料設計、制備與外場響應研究.pdf

1、壓電陶瓷纖維復合材料以壓電陶瓷纖維和聚合物基體復合而成，其既保留了壓電晶體材料高靈敏度和高頻率響應等優(yōu)點，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計性強等特點，被廣泛應用于傳感、驅動、結構控制、結構健康監(jiān)測和能量采集等眾多領域，是壓電復合材料當前研究的熱點。
　　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作用下的應變性能響應及相關響應機制；以MFC結構壓電陶瓷纖維復合材

2、料為研究對象，以均勻場理論模型為基礎，采用有限元分析法對MFC結構進行設計和優(yōu)化，從理論上探索壓電叉指電極結構、壓電復合結構層和復合材料各組元的性能參數等與MFC應變性能之間的相關性；根據優(yōu)化的MFC設計方案制備PZT系列壓電陶瓷纖維復合材料，研究不同驅動電壓條件下MFC的驅動性能，并探索其驅動響應機制。本論文的研究工作和主要結論如下：
　　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強度和頻率、溫度及壓應力等外場條件的應變特性，研究表明，不同外場作用下壓電纖維呈現(xiàn)不同的極化響應機制和應變特性。對PZT-5H纖維而言，纖維的應變隨外加電場強度的增加近似線性增加，其有效壓電系數在矯頑場附近2 kV/mm時達到最大值2225 pm/V；隨著外加電場頻率的增加，纖維的應變隨之增加，當頻率達到20 Hz時應變趨于穩(wěn)定；在測試溫度范圍內，隨著溫度的升高，

4、纖維的應變持續(xù)增加；隨著軸向壓應力的不斷加大，纖維應變先增加后減少，當預應力為3 MPa時纖維應變達到最大。對PMnS-PZN-PZT體系壓電陶瓷纖維而言，其在外場作用下應變特性與PZT-5H纖維相似，在相同條件下，PZT-5H纖維的應變性能要優(yōu)于PMnS-PZN-PZT纖維。
　　2、以均勻場理論模型為基礎，采用COMSOL Multiphysic多物理場仿真模擬軟件建立 MFC有限元模型，研究了叉指電極結構、壓電復合層結構參數

5、對MFC應變性能影響，研究表明，叉指電極結構和壓電復合層結構均會影響叉指電極與壓電纖維之間電場的傳輸，從而影響復合材料性能的發(fā)揮。在確定壓電復合結構層的前提下，叉指電極寬度為壓電纖維高度的1/2時MFC可獲得最佳的應變性能；驅動電壓確定的前提下，電極間距越小MFC應變性能越好，但纖維內部電場分布均勻性變差，影響其性能的發(fā)揮；隨著壓電纖維體積分數的升高，MFC應變性能快速增加，當體積分數超過0.6時變化緩慢，并逐漸趨于穩(wěn)定；壓電復合結構層

6、中壓電陶瓷纖維與叉指電極間聚合物的厚度、壓電纖維的高度會影響MFC獲得最佳應變性能時叉指電極的寬度，針對這些參數的變化需要重新設計叉指電極方案以獲得MFC最佳性能與叉指電極結構之間的匹配。
　　3、在壓電復合層結構固定的前提下，以 MFC有限元模型為基礎研究了復合材料中各組元性能參數對MFC應變性能影響，研究表明，壓電纖維壓電常數和介電常數及聚合物的彈性模量和介電常數等參數對MFC的應變性能會產生較大的影響。陶瓷纖維壓電常數對MF

7、C應變性能影響最大，陶瓷纖維壓電常數越大，應變性能越高；聚合物相彈性模量越大，聚合物對壓電陶瓷纖維的夾持作用越明顯，MFC應變性能下降也越多；壓電纖維和聚合物的介電常數均會影響MFC獲得最佳應變性能時叉指電極結構，壓電纖維和聚合物的介電常數之比越大MFC應變性能越好，同時獲得MFC最優(yōu)性能時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有限元仿真結果為依據設計復合材料結構，采用

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

9、壓以下，隨著驅動電壓的升高，單極和雙極應變曲線對應最大應變值均隨之升高，相應有效壓電系數也隨之升高，且上升速度逐漸變慢，趨于平緩；驅動電壓頻率越小 MFC應變性能和有效壓電系數越高，隨著驅動電壓頻率的升高，不同驅動波形的應變曲線對應的應變性能及有效壓電系數均隨之呈現(xiàn)對數下降趨勢，驅動電壓頻率大于2 Hz后MFC的驅動性能變化趨于平緩。對兩種壓電體系的MFC而言，驅動電壓條件變化時，二者的變化規(guī)律基本一致，在相同條件下，PZT-5H基 M