基于MFC压电纤维复合材料的智能小翼驱动性能研究

智能微型导弹可以通过控制可变形智能弹翼结构改变飞行状态,满足作战需求。针对此类可变形智能小翼结构,本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)作为驱动器,通过使用MFC碳纤维复合材料悬臂梁仿真和试验相结合的方法验证压电复合材料的驱动性能。随后,设计了MFC复合材料小翼驱动机构并进行驱动试验,验证了所设计的MFC驱动智能小翼变形方案的可行性。在此基础上,研究了智能小翼复合材料蒙皮铺层设计对小翼压电驱动性能的影响。结果表明,增大智能小翼蒙皮45°铺层占比、减小0°铺层占比,或将45°铺层置于蒙皮表层、0°铺层置于蒙皮芯层时,有利于智能小翼驱动性能提升。

基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器研究

沙尘暴是一种多发于沙漠等干旱地区的灾害天气,建(构)筑物常受其影响被侵蚀甚至产生破坏,这种破坏的本质是风沙两相流中沙粒对结构表面冲击产生细微损伤的积累。为了深入探索这种风沙两相流对结构的冲击作用和沙粒冲击力在结构表面的分布规律,研究了采用压电纤维复合材料作为力传感器来测量风沙流场中沙粒冲击力的方法,通过标定试验建立了压电传感器所受沙粒冲击力与其输出电信号之间的数学模型,构建了基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器。分别采用高频测力天平和压电传感器测量低矮房屋迎风面在风沙风洞试验中所受到的沙粒冲击力,验证压电传感器测量沙粒冲击力的适用性和准确性。结果显示:两种测力方式的结果总体相差在-4.72%~5.80%,两种试验结果吻合良好;建筑物迎风面内侧所受到的沙粒冲击力大于外侧所受到的沙粒冲击力,沙粒冲击力的分布与表面风压力分布具有一定相关关系。研究成果可为结构防风沙灾害的相关研究提供参考。

压电纤维复合材料的管道结构健康监测应用

管道实时结构健康监测对工程应用具有重要意义,压电纤维复合材料在与管道结构共形时保持压电阻抗特性,对管道结构进行健康监测。本文制备了压电纤维复合材料,研究了复合材料厚度对电阻抗特性的影响,厚度大于250μm时阻抗峰值下降50%。基于压电纤维复合材料进行了结构载荷监测应用验证,通过相关系数偏差值(R_(C))和均方根偏差(R_(M))方法对结构受到损伤时的压电纤维复合材料阻抗敏感特征进行量化,并基于无损状态建立了损伤阈值(U_(l))。当管道结构受到50 N载荷时,R_(C)指数达到0.51(U_(l)=0.005);螺栓结构松动50%时,R_M指数达到7.96(U_(l)=0.63)。结果表明,压电纤维复合材料可以对管道结构应力状态变化和螺栓松动进行灵敏响应,适用于管道等复杂曲面结构进行结构健康监测,应用前景广阔。

柔性压电纤维复合材料传感器的制备及应用

随着智能器件及物联网的快速发展,柔性可穿戴压电传感器越来越受到人们的广泛关注。本文制备了柔性压电纤维复合材料传感器,证明其检测弯曲应变、弯曲角度和振动加速度的能力。结果表明:在悬臂梁振动试验中,柔性压电传感器的输出电压随着加速度增大呈现线性增加。在远离谐振频率的频率范围内,柔性压电传感器表现出良好的线性度,证明其可以用作传感器来检测振动加速度。在弯曲试验中,输出电压随着弯曲应变的增加而增加,弯曲变形下每微应变的输出电压达到8.54 mV,具有优异的灵敏度。随着弯曲频率的变化,柔性压电传感器输出电压幅值无明显变化,说明其具有良好的传感稳定性。通过10万次循环弯曲测试,其输出电压幅值没有明显下降,证明其具有良好的疲劳性能。

柔性压电纤维复合材料驱动器的驱动特性研究

本文通过分析柔性压电纤维复合材料驱动器(Flexible Piezoelectric fiber composite actuator Device,FPD)的变形驱动机制,提出了一种基于铁电参数预测其工作电压范围的方法,基于压电方程推导了FPD驱动力的表达式,并经实验测定验证了所提方法的可靠性。此外,基于所提方法研究了有效宽度对机电阻抗性能和驱动性能的影响规律。结果表明:基于铁电参数预测FPD工作电压范围的方法合理可行,FPD的许用工作电压在负向次矫顽电压到正向极化电压之间,且偏置/非对称电压驱动模式可以同步实现大应变和小迟滞;基于压电方程计算FPD驱动力的方法有效可靠,FPD的驱动力正比于其压电应变系数、弹性模量、横截面积及外加电场;随着有效宽度的增加,FPD的电容和驱动能力增加,阻抗减小,主谐振峰、自由应变和迟滞基本不变。

压电纤维复合材料的发展、模拟及应用(英文)

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。

压电纤维复合材料在结构减振中的应用

介绍了压电纤维复合材料,并利用该材料设计了自传感驱动器,并将其应用于梁的频响辨识。将该材料用于飞机垂尾的减振系统,目的是为了抑制在飞行过程中产生的振动和测试压电纤维复合材料在尾翼振动主动控制方面的性能表现。试验结果表明,该材料具有良好的传感和驱动性能,并且减振效果优于压电陶瓷。

交叉指形电极压电纤维复合材料的优化设计

交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明:采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提高压电片的驱动应变;聚合物相的介电常数对驱动应变影响最大,采用高介电常数的聚合物相可以使其驱动应变明显提高。

压电纤维复合材料的研究

以提高交叉指形电极压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力为目的,采用有限元软件ANSYS分析了电极区聚合物参数、交叉指型电极结构和压电相体积分数对压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力的影响。结果表明:增加电极区聚合物的介电常数或减小电极区聚合物的厚度,能够提高元件的诱导应变和挟持应力,元件诱导应变最大可达173με;减小分支电极的周期或者适当增大分支电极的宽度,可以有效地提高元件的作动性能;提高压电纤维体积分数,有利于提高元件的作动性能。

丁腈橡胶/铌镁锆钛酸铅/碳纤维复合材料的介电性能和压电性能

以丁腈橡胶（NBR）为基体,铌镁锆钛酸铅（PMN）粉体为分散相,碳纤维（CF）为导电填料,制备了压电复合材料,研究了复合材料的压电性能及介电性能。结果表明,80%以上PMN粒子的粒径为0.5～2.0μm,填充密度约为6.6g/cm^3;当填充CF体积分数小于5%时,复合材料的击穿电压受填充CF用量的变化影响不大,当填充CF体积分数达到10%时,复合材料的击穿电压下降到未填充CF复合材料的1/3～1/2,填充CF最佳体积分数为5%;当填充PMN体积分数增至40%后,复合材料的纵向压电应变常数（d33）随PMN用量的增加而增大;适当地延长极化时间和增加极化电压有利于提高d33,最佳极化电压为7kV/mm,最佳极化时间为25min;复合材料的介电常数（ε）随填充PMN用量的增加而增大;当CF用量为0时,复合材料的ε与介电损耗（tanδ）的变化趋势相反;当填充CF体积分数为5%时,复合材料不但具有较高的ε,而且具有较高的tanδ。

TiO_2含量对压电纤维复合材料抗拉及驱动应变性能的影响

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料,研究了环氧树脂中不同Ti O2含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明:环氧树脂中Ti O2含量不同,压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中Ti O2含量增大先增加后减小。环氧树脂中Ti O2含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa,且在驱动电压为-500 V^+1500 V时,其纵向自由应变值达到了1783.7με。当环氧树脂中Ti O2含量从3wt%增大至5wt%时,压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下,压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大,压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低,当频率超过5 Hz后,其纵向自由应变值略有减小。

压电纤维复合材料的静电场分析

采用有限元法分析了外电压作用于压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和作动性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸,及其IDE宽度和周期对压电纤维复合材料静电场的影响,研究结果表明:增加电极区聚合物的导电性,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,最大可以提高54倍;减小电极区聚合物的厚度,同样可以显著提高静电场,最大可以提高55倍。IDE参数对电场的均匀性区域大小和电场强度大小影响也比较大。

压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大。d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大。而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大。相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用。

双周期带涂层纤维压电复合材料反平面问题分析

研究双周期带涂层纤维压电复合材料反平面问题。利用Eshelby等效夹杂原理引入特征应变和特征电场,并结合双准周期Riemann边值问题理论,获得了问题在反平面机械载荷和面内电载荷作用时的解析解。由本文解的特殊情形可以退化为已有结果。数值算例考察了复合材料内部应力和电场随复合材料各组分电弹参数的变化规律,研究了纤维排列方式和纤维体积分数对复合材料有效电弹系数的影响。带涂层纤维正六边形排列时的有效电弹系数与广义自洽方法的预测结果非常接近。结果对新型航空材料的设计和优化具有参考价值。

压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究

本文对横向激励作用下的1-3型压电纤维复合材料层合壳进行了非线性动力学分析,并研究了压电特性对结构振动响应的影响.首先建立了压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学方程,并且在已知的几何结构和材料特性基础上考虑了电场属性.然后根据位移边界条件,选择合适的振型函数,通过Galerkin方法将运动控制方程转化成两自由度的非线性常微分方程.通过数值模拟方法分析了横向激励和压电系数对压电纤维复合材料层合壳非线性振动特性的影响.通过波形图、三维相图、庞加莱图和分叉图等来研究壳体不同类型的周期和混沌运动.结果表明,外激励作用下结构存在复杂的非线性振动响应,同时压电参数对层合壳结构振动响应具有很强的调节作用.

1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型及其力电宏观参数研究

基于均匀场理论和细观力学方法提出了弹簧串并联模型和电容串并联模型来分别描述1-3型压电纤维复合材料的力学性能和电学性能,并采用此模型对压电复合材料的宏观力学和电学性能参数进行了预报。在沿着纤维方向,采用并联模型来描述1-3型压电纤维复合材料的力学和电学特性,因为在这个方向上压电纤维和基体连续并联分布;在垂直纤维方向,模型既含有串联部分又含有并联部分,从而对整体而言形成了混合串并联模型。算例结果相互比较表明该模型对1-3型压电纤维复合材料有准确的描述。

叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化

叉指式压电纤维复合材料(Interdigitated Electrodes Piezoelectric Fiber Composites,IDEPFC)利用纤维形的压电相和叉指形电极相互作用,提高了复合材料的韧性,因其特有的压电正交异性驱动性能,在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。基于COMSOL Multiphysics仿真计算平台,采用有限元分析方法,计算了1-3型压电陶瓷纤维复合材料中关键的叉指式电极(IDE)几何尺寸与压电陶瓷纤维基体的度之间的关系对IDEPFC驱动性能的影响规律,分析了压电陶瓷纤维直径、分支电极宽度与电极间隙对叉指式压电纤维复合材料驱动应变的变化影响趋势。结果表明:当电极宽度等于基体厚度的一半时,可得到最优的正交异性驱动性能;采用直径越小的压电陶瓷纤维,从而减少基体厚度,有助于提高IDEPFC的驱动灵敏度;减小电极间隙可以降低驱动电压,当电极间隙与基体厚度的比值大于4时,可以获得最大的驱动应变。研究成果为叉指式压电纤维复合材料的优化设计提供了理论指导。

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;采用交叉指形电板结构可使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。

粘结层对压电纤维复合材料机电响应行为的影响

本文从功能材料力-电耦合的角度分析了粘结层参数对压电纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)机电响应行为的影响。通过有限元模拟计算发现,减少粘结层厚度及增大其介电常数有利于缓解MFC介电失配现象,提高有效电场加载,从而获得高压电性。试验制备了MFC并进行了驱动及传感性能表征,试验结果与模拟仿真一致。减少粘结层厚度和弹性模量,及增大其介电常数,能有效增大MFC尖端位移和输出电压,提高驱动和传感性能。该研究对驱动和传感用MFC的设计提供了指导。

基于压电纤维复合材料变形机翼结构设计和实验研究

为了改善现有机械式变形机翼结构气动效率较低的缺点,以压电纤维复合材料(marco-fiber composite,MFC)为驱动器,碳纤维增强复合材料为承重件,设计了一种可实现机翼后缘连续光滑变形的智能机翼.基于实验通过改变电压大小研究了MFC在直流电载荷下机翼的变形能力,改变交流电及横向激励幅值、频率等参数研究了机翼受气动载荷下的动态特性.结果表明,变形机翼后缘偏转角与驱动电压近似成正比关系,最大偏转角为4.7°,外侧机翼振动幅值均大于内侧机翼,动态稳定性弱于内侧.研究为压电材料驱动变形机翼的结构设计和动态实验研究提供参考.