压电复合材料梯度分布声学特性研究

目前,压电复合材料在吸声降噪领域应用广泛,但其低频吸声性能并不理想。为解决此问题,以0-3型压电复合材料为研究对象,提出使压电陶瓷体积含量呈梯度分布以提高其低频吸声系数的方法。首先,基于声电类比法和传递矩阵法,推导多梯度分布的理论公式,并通过文献构型对其进行验证;其次,将均匀分布与梯度分布的吸声系数进行比较,发现梯度分布会改变材料的声阻抗,从而改变吸声系数。最后,进行梯度分布压电复合材料数值分析,结果表明,同等条件下,当压电陶瓷体积含量呈梯度递减,且梯度差和第一梯度的厚度增加时,可明显提高低频吸声系数。

一种改进型1-3-2压电复合材料的研究

高质量的压电换能器需要具备较高的机电耦合系数和灵敏度。该文在传统型1-3-2压电复合材料的基础上提出了一种改进型1-3-2压电材料,提高了压电换能器的机电耦合系数和换能器的接收灵敏度。通过有限元仿真分析了不同间距对改进型1-3-2压电材料敏感元件的谐振频率、反谐振频率及机电耦合系数的影响,并与传统1-3-2型压电复合材料进行了对比。结果表明,与传统型1-3-2压电复合材料相比,在相同间距条件下,改进型压电材料的机电耦合系数约大0.03。制做的3种不同间距改进型压电材料表明,间距为1 mm的改进型压电材料的机电耦合系数较大,约为0.68。

随机分布非椭球夹杂压电复合材料变分上下界

压电复合材料因其具有高机电耦合系数和压电常数及低密度和高声阻抗,被广泛应用于水声工程、医学和超声检测的领域.人们通过预测压电复合材料有效模量界限可以更好地优化压电复合材料的结构。目前,对于压电复合材料有效模量上下界的研究普遍集中于包含椭球形夹杂的压电复合材料,而对于非椭球形夹杂的压电复合材料研究甚少.本文在传统的Hashin-Shtrikman变分上下界方法的基础上,利用体现夹杂物分布特性及形状的微结构参数,求解横观各向同性压电复合材料有效模量的上下界.该方法适用于任意形状夹杂:当椭球域与椭球形夹杂形状相同时,该方法与传统的压电复合材料Hashi-Shtrikman上下界方法一致.当椭球域与椭球形夹杂物形状不同且夹杂含量较低时,本方法所得到的部分有效模量的上下界更紧凑.此外,本文计算了横观各向同性的压电基体含正方体夹杂的复合材料有效模量上下界,结果表明材料整体表现为横观各向同性且与椭球形夹杂时的有效模量上下界差异较小,本文建立了考虑夹杂物分布和夹杂物形状的压电复合材料上下界的计算方法,对压电复合材料的研究有一定的参考价值。

圆弧1-3型压电复合材料的振动特性研究

为了解圆弧1-3型压电复合材料的工作模态,并建立简单准确的机电等效电路模型,文章测试了压电陶瓷PZT-5H与弛豫铁电单晶PMN-0.32PT的全矩阵参数,并将两种压电材料作为压电相进行了圆弧1-3型压电复合材料的电声特性分析。分别建立了有限元单元模型、1-3型压电复合材料的等应变模型与KLM传输线理论结合的机电等效电路模型,分析了圆弧复合材料的谐振频率及振动模态,并制备样品进行测试验证。研究结果表明,组成的圆弧1-3型压电复合材料的厚度振动模态纯净,其它结构模态可忽略,谐振频率的测试结果与仿真及理论计算结果吻合很好。压电相与聚合物相的弹性刚度系数之差对模型的预测结果有所影响,系数相差较大时,两种模型的预测值偏差更小。

压电复合材料结构的减振/致动性能优化

压电复合材料由于其优越的机械能-电能转换能力,既可用于吸收结构振动能量进行减振,也可施加电压进行致动,但是针对减振与致动性能的设计异同点未被探讨与研究。针对碳纤维-玻璃纤维-压电纤维组成的多层压电复合材料结构的减振及致动性能进行设计与优化,给出了相应的结构铺层建议及优化结果。所设计的复合材料结构包括多层单向混合纤维复合基底和分布式压电片两个主要部分,基底中碳纤维、压电纤维和玻璃纤维对称铺设,压电片贴于基底最外层。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton原理推导了压电复合材料结构的机电耦合模型并分析其动力学特性。通过对比不同铺层顺序下结构的减振与致动性能,得到了混合控制结构的最佳铺层顺序。在此基础上,使用遗传算法对分布式压电片贴附位置和整体复合结构中的铺层角度进行优化,分别提升了结构的减振和致动性能。结果表明,分布式压电贴片在最外层时减振效果最好,压电层在内部时致动能力更优。压电贴片的贴附位置优化后,相比于在高应变区贴附的经验布置策略,前三阶模态减振性能分别提升了0.67 dB、0.77 dB及1.87 dB;碳纤维和玻璃纤维铺层角度分别为90.001 5°、53.065 2°时致动效果最佳。

1-3-2压电复合材料机电理论分析和频率仿真

该文研究了1-3-2压电复合材料的厚度振动谐振频率与尺寸的关系。应用压电学和弹性动力学理论建立了机电等效图,对1-3-2压电复合材料的厚度振动模态进行了机电理论分析,并对其谐振频率进行了计算。利用有限元仿真软件分析了在厚度振动模态下,1-3-2压电复合材料谐振频率、反谐振频率与尺寸变化的关系。结果表明,纵向尺寸比变大时,频率曲线呈下降趋势;横向尺寸比变大时,频率曲线呈上升趋势;横纵尺寸比变大时,频率曲线呈缓慢下降趋势;基底厚度变大时,频率曲线呈先减小后增大趋势。4种情况中,纵向尺寸比对于整体的谐振和反谐振频率影响最显著。

改性1-3型压电复合材料理论模型与仿真

针对高机电耦合系数和曲面换能器的应用需求,该文提出一种由压电陶瓷、环氧树脂和硅橡胶三相复合的改进1-3型压电复合材料,基于Newnhams串、并联分析对复合材料的理论模型进行了推导,并利用Matlab进行了数值计算,分析了改性1-3型复合材料的结构参数对厚度机电耦合系数、等效密度和厚度频率常数的影响。结果表明,陶瓷-环氧复合相的体积分数为0.2~0.5,陶瓷-环氧复合相中的压电陶瓷体积分数为0.6~0.7时,改性1-3型压电复合材料的性能参数较好;利用ANSYS软件对复合材料进行了有限元仿真,将仿真结果与理论计算进行了对比,二者具有较好的一致性,验证了理论模型评估材料性能的准确性。

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。

天然高分子基压电复合材料的研究进展

压电型天然高分子是近年来受到广泛关注的一种新型功能材料.它可以从植物或动物原料中获取,具有可降解、生物相容、无毒等一系列突出优点,有望代替传统压电陶瓷及合成压电高分子材料用于新一代环境友好型电子器件的开发.首先从分子层面阐述多糖、蛋白质等天然高分子材料的独特性质,总结了不同天然高分子基压电复合材料的构建方法.然后,介绍了天然高分子基压电复合材料在能量收集装置、磁电转换装置、传感器及驱动器等领域的具体应用.最后,指出了天然高分子基压电复合材料面临的挑战,并对其未来的发展前景进行了展望.

热压工艺对粒子型压电复合材料界面和力学性能的影响

研究热压时间、热压温度、热压压力等热压工艺参数对粒子型压电复合材料界面和力学性能的影响。通过热压工艺制备出不同工艺参数的试样,通过扫描电镜对复合材料微观形貌进行表征和分析,并通过拉伸试验对复合材料力学性能进行表征和分析。试验结果表明,热压时间、热压温度、热压压力等参数对粒子型压电复合材料的界面有显著影响。在最佳热压工艺参数条件下,压电粒子与高分子基体的界面结合程度显著提高。研究结果为优化复合材料的制备工艺及提高复合材料的性能提供了参考和思路。

1-3型压电复合材料声学仿真方法研究

为提高由厚度振动模式进行工作的水声换能器的仿真准确性,文章以1-3型压电复合材料声学仿真为例进行相关研究,结合能量守恒原理和完美匹配层技术,直接提取流体中辐射近场外表面的辐射声功率,通过相关公式推导,直接换算出整阵的远场声压值,最后实际制作了换能器样机进行验证。研究结果表明,此方法可显著提高仿真准确性,同时分析频率范围不会受波导截止频率的限制。

多孔夹层压电复合材料的研究

使用多孔炭黑/P(VDF-TFE)导电复合材料与03型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料进行二次结构复合,形成多孔夹层压电复合材料,对其静水压压电性能进行了分析测试。研究结果表明,这种多孔夹层压电复合材料的静水压压电优值(d·g)比单层03型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料的静水压压电优值获得明显提高。

PZT/PVDF压电复合材料的制备及其性能研究

用氧化物一步合成法制备了 PZT粉末 ,X射线衍射测试结果显示 ,它是 Zr/Ti为 5 2∶ 48的纯四方钙钛矿型结晶相 ,并用 SEM观察了 PZT粉末的形貌 ;用热分析仪测试了 PVDF的固化温度 ;在自制模具上采用模压 /烧结工艺获得了六种含 PZT不同体积含量的 PZT/PVDF复合材料 ;对其介电性和压电性的测试表明 ,随着 PZT体积含量的增加 ,电性能参数呈非线性增大 ,当 PZT的体积份数超过 70 %时 ,介电常数ε和压电常数 d33 值迅速增加 ,PZT体积份数达到 90 %时 ,其电性能参数与纯 PZT值接近 ,但此时复合材料的脆性较大 ,已没有实用价值。

路面用PZT/沥青压电复合材料的制备及性能

以锆钛酸铅PZT-5H为压电相,沥青为基体,采用热压成型法制备0-3型PZT/沥青压电复合材料.分析了此复合材料的制备工艺、极化条件及PZT的体积分数对压电应变常数d33的影响,测试了其介电性能,并完成了动态荷载作用下压电响应的测试.结果表明:优化的制备工艺为成型压应力10MPa,成型时间3min;最佳的极化条件是极化电场强度为3kV/mm,极化时间为10min,极化温度为50℃;PZT的最佳体积分数为75%;沥青基压电复合材料的相对介电常数εr及压电应变常数d33分别为32.95和53.7pC/N,荷载响应稳态输出电压为7.2V,其储存的能量为259.2μJ.

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(Mg1/3Nb2/3)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Kp与Kt、机械品质因数Qm、介电常数rε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。

堆叠压电复合材料圆环换能器研究

针对目前换能器亟待扩展带宽的问题,本文通过将两个不同共振频率的圆环进行轴向堆叠产生双模态耦合的方式研制了一种宽带压电复合材料圆环水声换能器的敏感元件。该换能器敏感元件由两个压电复合材料圆环进行轴向堆叠,从而实现厚度方向的双模耦合振动。通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注柔性聚合物(如环氧树脂、聚氨酯等)、样品打磨、被覆电极等一系列工艺制备出压电复合材料圆环。再将制备出的相同外径、不同壁厚的压电复合材料圆环进行轴向叠堆,制备出叠堆压电复合材料敏感元件。用制备出的敏感元件通过灌注防水透声层、封装得到的换能器进行水下性能测试。测试结果显示:该换能器谐振频率为410 k Hz,-3 d B带宽达60 k Hz。实现了换能器宽带发射声波的目标。

1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能

以1-3型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明:当加载频率小于5 Hz时,所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大,但当加载频率大于5 Hz时,所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关;传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性,其输出电压与复杂载荷、随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系,且与输入载荷基本同步,不存在滞后现象,试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。

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。

0-3型压电复合材料的声学性能研究

以锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷微粉为填料,按一定的体积分数与PVC复合制得压电复合材料,经直流高压油浴处理后,用四传感器驻波管测量复合材料的声学性能。测试结果表明,在声频125～1600Hz的范围内,极化后的吸声性能增加,而隔声量在低频增加,在中高频(500Hz以上)降低。