水泥基壓電復合材料的模擬與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、水泥基壓電復合材料是將壓電陶瓷(PZT)按照不同的分布形式和陶瓷體積分數(shù)分布于水泥石基體中而制備成的新型材料。由于水泥基壓電復合材料因壓電陶瓷可以被極化而具有壓電效應(yīng)，使得水泥基壓電復合材料在既克服傳統(tǒng)純陶瓷材料與混凝土相容性差等缺點的同時，又保持壓電材料的優(yōu)點，從而可以用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。研究水泥基壓電復合材料的有效性能，對水泥基壓電復合材料基于性能需求的設(shè)計、優(yōu)化，以及水泥基壓電傳感器在實際工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。本

2、文重點研究不同類型的水泥基壓電復合材料的性能預測理論模型，通過試驗驗證模型的合理性，并進行模型的數(shù)值討論與分析，最后提出設(shè)計優(yōu)化的建議。主要研究內(nèi)容如下：
　?、鸥鶕?jù)水泥材料作為基體容易出現(xiàn)與PZT夾雜粘結(jié)界面不牢固的事實，提出了合理的壓電材料的廣義彈簧界面模型，推導了廣義彈簧模型參數(shù)與壓電材料界面層（相）的的數(shù)學關(guān)系?；趭A雜的廣義本征應(yīng)變問題，建立了細觀力學中壓電材料的修正廣義Eshelby張量，定量給出了修正廣義Eshelb

3、y張量與經(jīng)典壓電材料廣義Eshelby張量的關(guān)系。提出了兩種修正的廣義Eshelby張量的具體數(shù)值算法，并對影響修正廣義Eshelby張量的界面參數(shù)進行了討論。
　?、苹趬弘姴牧系男拚膹V義Eshelby張量，建立了夾雜與基體為非完美界面時的三維細觀力學框架，給出修正的稀疏法、修正的Mori-Tanaka法、修正的微分法以及修正的自洽法模型的統(tǒng)一表達式，提出采用修正的細觀力學模型預測PZT與基體為非完美界面時的壓電復合材料的有效

4、性能。通過理論預測值與文獻中試驗值的對比分析，初步界定了經(jīng)典細觀力學方法的適用范圍。
　　⑶根據(jù)以往0-3型水泥基壓電復合材料有效性能試驗中出現(xiàn)的PZT顆粒粒徑效應(yīng)及PZT夾雜與水泥基體的掃描電鏡結(jié)果，建立了PZT與水泥基體為非完美界面時，基于PZT顆粒平均半徑的0-3型水泥基壓電復合材料有效性能理論預測模型;與試驗進行比較，驗證了模型的可靠性;從原理上闡釋了0-3型水泥基壓電復合材料的有效性能產(chǎn)生PZT粒徑效應(yīng)的機制，在于水泥基

5、體與PZT顆粒之間存在非完美界面，非完美界面對復合材料有效性能的影響隨夾雜顆粒的體表比大小而變化;通過理論與試驗的對比分析，提出了0-3型水泥基壓電復合材料的優(yōu)化設(shè)計建議。
　?、然?-2型水泥基壓電復合材料為單方向上的準周期性結(jié)構(gòu)，采用宏細觀相結(jié)合的多尺度模型，預測壓電復合材料有效性能;試驗研究了2-2型水泥基壓電復合材料的有效性能，并與理論預測結(jié)果進行比對，驗證了理論模型的可靠性。結(jié)果表明，通過調(diào)整壓電功能相的體積分數(shù)可使2

6、-2型水泥基壓電復合材料的靜水壓電應(yīng)變系數(shù)dEffh高于壓電功能相的靜水壓電應(yīng)交系數(shù)dEffh;結(jié)合理論與試驗提出了2-2型水泥基壓電復合材料的優(yōu)化設(shè)計建議。
　?、梢罁?jù)1-3型水泥基壓電復合材料為雙方向上的準周期性結(jié)構(gòu)，壓電功能增強相的橫截面為方形（或矩形）等特點，采用以多尺度模型為基礎(chǔ)的“二次均勻法”預測了1-3型壓電復合材料的有效性能;試驗研究了1-3型水泥基壓電復合材料的有效性能，并與理論預測結(jié)果進行比對，驗證了模型的可靠