强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究

为了揭示冲击压力对PZT-5H压电陶瓷电输出特性的影响,利用自行建立的聚偏氟乙烯冲击压力测试系统和压电陶瓷电输出性能测试系统,以一级轻气炮作为加载手段,开展了柱状铝合金弹丸分别以195 m/s、487 m/s、532 m/s和613 m/s的速度垂直撞击复合靶板(钢片-压电陶瓷-有机玻璃)的实验。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行弹靶碰撞的有限元分析,分析了不同速度下PZT-5H的冲击压力时程。根据实验系统建立了弹靶接触时应力波传播的简化模型,并通过模型计算出复合结构中PZT-5H压电陶瓷承受的冲击压力峰值。运用实验得到的冲击压力时程、压电陶瓷输出电压时程和储能电容充电电压时程,分析了不同峰值压力脉冲作用下PZT-5H压电陶瓷电输出特性的变化规律。研究结果表明:冲击压力峰值的计算结果与仿真结果、实验测量结果趋势吻合;冲击压力峰值在200~700 MPa范围内时,PZT-5H压电陶瓷输出电压峰值随着冲击应力峰值的增加而增大,且近似呈线性关系;在高速撞击PZT-5H压电陶瓷过程中动能与电能的能量转化效率较低,当储能电容量与PZT-5H压电陶瓷电容量比值为5.9∶1时,压电陶瓷的能量转化率为1.1%.

退火处理对PZT-5H铁电陶瓷性能的影响

研究了退火处理对PZT-5H陶瓷铁电、压电性能以及抗老化和抗电疲劳性能的影响。结果表明，250℃退火处理可以有效地提高PZT-5H铁电陶瓷的饱和和剩余极化强度、压电常数和抗老化性、抗电疲劳性性能。分析表明，PZT-5铁电陶瓷性能的改善可能与热处理改变晶粒微区状态和消除内应力等因素有关。

基于PMN-PT的宽带高灵敏双谐振式声发射传感器研究

声发射传感器被广泛应用于局部放电检测中,而基于PZT压电陶瓷的声发射传感器难以同时满足越来越高的灵敏度和带宽需求。该文设计了一种双谐振式声发射传感器,采用高性能铁电单晶PMN-PT作为压电振子,并使用谐振峰耦合,可同时提升灵敏度和带宽。所制备的传感器实现了76.2 dB的高灵敏度,20~105 kHz的大带宽,且具备良好的稳定性。对比基于PZT-5H的声发射传感器,其具有更高的灵敏度和信噪比。

高速撞击压电陶瓷过程中储能电容对电输出特性的影响研究

为了揭示PZT-5H压电陶瓷电源复合结构在高速撞击载荷下电源外部电路中储能电容对输入电压、输入能量的影响规律,利用自行构建的一级轻气炮加载系统、电源外部电路及电输出测试系统,分别开展了长径比为1∶1的柱状弹丸在相近碰撞速度、不同储能电容容量条件下高速撞击单片和多片压电陶瓷复合结构实验。实验结果表明:储能电容越大,压电陶瓷输出电压峰值越小、储能电容充电电压越小,存储能量值越小;随着储能电容量与压电电容量比率的增大,压电陶瓷的能量转换率减小;此外,储能电容的存储能量随压电陶瓷层数的增加而增大;压电陶瓷的电容与储能电容的匹配对储能电容的输入电压和储能电容的输入能量有较大影响。

PZT铁电陶瓷的氢致半导体化

研究了锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-5H)的氢致半导体化现象.结果表明,随试样中氢浓度的升高,漏电电流和载流子浓度升高,电阻率下降,颜色由黄变黑.即氢能使PZT-5H铁电陶瓷从绝缘体变成n型半导体.高于Curie点充氢时,能抑制PZT-5H从立方的顺电相向四方的铁电相的转变,室温下铁电性消失.但室温电解充氢并不抑制相变.高温除氢后试样的性能及颜色均恢复.

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。

三角剪切式微震监测压电加速度传感器设计

针对现有应用于矿井突水动力灾害防治微震监测传感器存在灵敏度低及频率范围窄的问题,该文提出了一种基于三角剪切式结构的微震监测压电加速度传感器。首先建立了压电加速度传感器的力学模型,对与固有频率和灵敏度有关的结构及材料参数进行了分析;然后设计了三角剪切型压电加速度传感器结构,探讨了压电陶瓷材料的选择,再利用ANSYS建立了压电加速度传感器有限元结构模型,分别对传感器进行模态分析、谐振响应分析与压电分析。仿真结果表明,设计的压电加速度传感器的工作频率和灵敏度满足微震监测要求。最后对设计的压电加速度传感器进行了标定和微震信号检测试验。结果表明,该传感器的谐振频率为6300 Hz,工作频率为0.1~2100 Hz,电荷灵敏度为34.626 pC/(m·s^(-2))时,可完成对微震信号的检测,且具有宽频率范围和高灵敏度。

考虑介损的压电陶瓷开路输出电压研究

该文以PZT-5H为代表的d33模式压电换能器为研究对象,推导实际开路输出电压与荷载频率的关系,并分析考虑了介质损耗影响的必要性。通过设计验证性试验,并采用有限元模拟法,分别在不同换能器结构(单片和多片堆栈)、不同荷载幅值、不同加载频率条件下验证预测值与试验值的吻合程度。结果表明,压电陶瓷实际开路输出电压在低频荷载条件下随荷载频率的增大呈非线性增长,而在高频荷载条件下随荷载频率增长缓慢,理论公式预测值与试验值吻合良好。该文推导的压电陶瓷开路输出电压公式可用于实际压电陶瓷开路输出电压的预测分析。