切割-填充法制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器

采用切割-填充法制备了一种粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器,该驱动器由叉指电极电路板、环氧树脂黏结层和粗压电陶瓷纤维复合材料层三部分组成。理论计算了粗压电陶瓷纤维复合材料的压电性能,并采用TF Analyzer 2000铁电分析仪和基于LabVIEW的动态应变采集系统测试了该驱动器的P-E回线和应变性能。结果表明:粗压电陶瓷纤维复合材料的理论压电常数d33和剩余极化强度Pr分别为634pC·N-1和31.4μC·cm-2。且在±1,000V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生纵向和横向应变分别为30με和20με,即纵向和横向伸缩分别可达0.63μm和0.34μm。

陶瓷纤维复合材料的应用研究进展

陶瓷纤维复合材料是当今科技的研究热点。陶瓷纤维复合材料具有良好的特性,可用于航空航天、汽车、建筑、体育和生物医学等多个领域。陶瓷复合材料显示出非凡的结构和机械特性,如高强度质量比、耐化学性、防火、耐腐蚀和耐磨损。在此,概述了陶瓷复合材料的分类、制造和应用,重点介绍了陶瓷纤维复合材料在高温绝热保温、污水处理、高温烟气过滤、吸声领域中的应用,最后对陶瓷纤维及其复合材料未来发展方向进行了展望。

压电纤维复合材料对悬臂结构的作动行为研究

压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)是由美国NASA研发的综合性能优秀的新型压电材料,掌握MFC的力学行为有利于将其投入结构变形控制、减振降噪和健康监测等领域.目前对MFC宏观力学行为的研究中缺乏对作动力与驱动电压直接关系的研究,现有的以MFC为作动器的应用中所使用力电关系的精度有限,不利于将MFC投入更精密的使用场景.针对此问题,文章采用经典板理论,考虑了MFC与受控结构的相对尺寸,推导了MFC对悬臂结构的作动力方程.为兼顾计算的准确性和便利性,建立了考虑MFC叉指电极真实电场的精细有限元模型开展压电静力仿真,给出将MFC叉指电极的弯曲电场简化为匀强电场的修正系数.搭建MFC-悬臂梁结构的实验装置,对有限元模型和作动力公式加以验证.精细模型与简化模型的仿真结果与实验进行对比,总体误差较小,验证了模型和修正系数的可靠性.理论计算与仿真结果对比,误差在1%以内,表明所得作动力预测公式在较大的宽度比范围内均具有较好精度.建立的MFC作动力模型对MFC应用于悬臂结构的变形控制和振动抑制有一定指导意义.

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。

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。

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。

新型陶瓷纤维及其复合材料国家级重点实验室2023年度开放基金

一、实验室简介新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室围绕重大需求开展陶瓷先驱体设计、合成与转化研究,发展以先驱体转化法为核心的陶瓷纤维及陶瓷基复合材料制备技术体系,在对材料组成、微观结构进行设计和调控的同时,加强对性能和服役行为的分析表征,探索新型分析测试与评估方法,为高新装备发展提供高性能陶瓷纤维与先进复合材料领域的技术支持以及关键原材料和典型构件保障。

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。

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。

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。

PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备和性能研究

以乙酸铅、乙酸镧、乙酸氧锆和钛酸丁酯为原料,用溶胶-凝胶法制备了掺镧锆钛酸铅(PLZT)凝胶纤维.该纤维经热解、烧结后成为直径约25μm的陶瓷纤维.陶瓷纤维的表面和断面形貌的电子扫描图象表明,该陶瓷纤维均匀致密.用阿基米德法测得陶瓷纤维的密度为:7.78×103kg/m3.对于直径为4.4mm、厚度为43μm、陶瓷含量为70％的PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料压电片,测得其压电常数d33、机电转换常数kt分别为:410pC/N和0.631.

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。

陶瓷纤维增强铝基复合材料在发动机活塞上的应用

本文报导了陶瓷纤维增强复合材料的性能、制备研究及其在内燃机活塞上的应用。氧化铝或硅酸铝短纤维增强铝基复合材料比基体材料有更优异的高温综合性能。挤压铸造工艺生产的局部增强铝基复合材料活塞 ,界面结合可靠、成品率高、工艺兼容性好 ,作为新型活塞材料 ,已在我国发动机行业应用并达到批量生产。

新的高纯陶瓷纤维复合材料及其应用

硅酸铝耐火纤维做为高温隔热材料被用来制备新的薄层陶瓷纤维复合材料绝热层，并在航空航天领域获得了广泛的应用。本文重点介绍了硅酸铝纤维的特性、制造方法，以及硅酸铝纤维复合材料的性能、制品和主要应用。最后给出硅酸铝纤维及其复合材料制品的发展动向。

陶瓷纤维填充聚烯烃复合材料的导热性能研究

制备了硅酸铝纤维、氧化铝纤维填充聚乙烯 (PE)复合材料和硅酸铝纤维、氧化铝纤维填充聚丙烯 (PP)复合材料 ;用稳态法考察了纤维用量对复合材料导热性能的影响。结果表明 :硅酸铝纤维和氧化铝纤维填充PP、PE复合材料的热导率基本随纤维用量的增加而增加 ,在某些用量时稍有波动 ,纤维质量分数为 3 5 %的试样导热效果最好。

基于THz-TDS的陶瓷纤维复合材料缺陷检测分析

新型陶瓷纤维复合材料由短切氧化硅纤维及其胶合物经高温烧结得到的一种轻质多孔材料,材料微观结构特性直接影响着宏观结构特性和功能特性。该类材料的孔隙度分布在84%~95%之间,微观孔径主要集中在100μm范围内,偶尔有少量纳米孔。陶瓷纤维复合材料以其耐高温、低密度、高比强和抗烧蚀等优异性能在超高声速飞行器外层隔热部件得到应用,但该类材料可能因为制作和装配的工艺水平等因素出现夹杂、孔洞甚至大面积脱粘等现象。由于陶瓷纤维复合材料结构与应用场景的特殊性使得常规的无损检测手段效果不佳,而太赫兹(THz)技术作为一种新兴的无损检测技术,在该类材料的无损检测具有很大的潜力,可与常规检测技术形成互补。针对陶瓷纤维复合材料构件粘接层缺陷检测问题,研究了太赫兹时域信号和太赫兹层析成像方式对缺陷定位方法。基于太赫兹时域光谱(THz-TDS)无损检测技术获取和对比试样中有粘接层缺陷和粘接层完好位置的时域波形的波形峰值和相位差异,并经过反卷积滤波技术对时域波形进行处理,定性分析时域波形与粘接层缺陷特性的关系,宏观判断缺陷存在;通过对太赫兹波段陶瓷纤维复合材料光学参数提取测定太赫兹波段的平均折射率为1.028,进而分析粘接层缺陷的深度和厚度分别为18.4和0.28mm,与预置缺陷真实深度和厚度相比准确度分别为92%和90%。但由于通过时域信号提取的平均折射率会给粘接层缺陷位置分析造成误差,因此以太赫兹层析成像方式进一步估计缺陷的位置,分析了太赫兹层析成像噪声来源以及对成像质量的影响并采用了双边滤波对层析成像降噪滤波,基于太赫兹层析成像技术建立了位置评估模型,获取了粘接层缺陷的厚度为0.26mm,较预置缺陷厚度的准确度为96%,有效地完善了太赫兹检测技术对缺陷定位的形式,实现了陶瓷纤维复合材料构件的粘接层缺陷的高精度定位表征。

陶瓷纤维增强水泥基复合材料的研究

本文研究了陶瓷纤维增强普硅水泥基复合材料的物理力学性能及耐久性。结果表明：当陶瓷纤维长度为5mm、掺量5％（Wf）时，其对水泥基体抗弯增强效果最佳，可提高约40％。若将基体颗粒粒度降低，则抗弯增强效果可进一步提高至100％左右；在70℃湿热条件下．陶瓷纤维的抗弯增强效果可长时间得以保持。试验研究表明陶瓷纤维在普硅水泥基材中的耐久性大大优于抗碱玻纤。本文还探讨了陶瓷纤维在普硅水泥中的耐久机理。

陶瓷纤维及其陶瓷基复合材料

介绍了连续陶瓷纤维及其陶瓷基复合材料在近年的研究进展,重点评述了陶瓷纤维以及陶瓷基复合材料制备工艺的研究现状,并对连续纤维陶瓷基复合材料的前景进行了展望。

陶瓷纤维增强铝基复合材料在发动机活塞上的应用

本文报导了陶瓷纤维增强复合材料的性能、制备研究及其在内燃机活塞上的应用。氧化铝或硅酸铝短纤维增强铝基复合材料比基体材料有更优异的高温综合性能。挤压铸造工艺生产的局部增强铝基复合材料活塞,界面结合可靠、成品率高、工艺宽容性好,作为新型活塞材料,已在我国发动机行业应用并达到批量生产。我国已成为世界上将铝基复合材料应用于汽车行业并达到产业化规模的少数国家之一。