PZT基压电陶瓷的力电性能及其在混凝土动态应力检测中的应用研究

发布时间：2020-03-21 06:04

【摘要】：混凝土结构在人们生产生活中的随处可见,其在寿命期内不仅受到静荷载的作用,还不可避免地受到各种动荷载作用。如今对混凝土结构开展在动态荷载作用下力学性能的研究已经成为土木工程界研究的热点之一,同时,依靠智能监测系统对其实施健康监测和预报也成为趋势。作为具有的驱动和感知能力的压电陶瓷由于其响应速度快,频响范围宽,线性关系好,易剪裁,价格低廉的特点得到广泛应用。在这样的条件下,将压电陶瓷埋入钢筋混凝土结构中,实现对其内部动态应力的监测检测在工程结构领域掀起了一股研究的热潮。然而,市面上现有的压电陶瓷性能上还不能满足广泛的应用要求,开发出一种性能优异的压电陶瓷,制作成稳定可靠的传感器则尤为重要。本文根据传统固相法制备PZT基压电陶瓷,通过掺杂和调节烧结温度的方法改进其性能,最终在1150℃与1250℃之间的不同温度下烧结制备出了Nb/Ce共掺Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3压电陶瓷(PZT-NC)。然后对其电力学性能做了研究,开发出一种性能优异的压电陶瓷制作成传感器,并对其进行了标定。具体工作如下:首先,对制备的PZT-NC压电陶瓷做了电学性能测试:利用阿基米德法测试相对密度,采用XRD技术分析陶瓷的晶相结构,采用SEM技术分析陶瓷的组织形貌及化学成分。采用介温方法测试居里温度、介电常数和介电损耗,利用准静态法测试压电常数。测试表明:随着烧结温度的升高,样品的介电常数峰值强度增加,居里温度T_c降低,相对介电常数ε_r升高,介电损耗tanδ则先升高后降低,压电系数d_(33)呈连续上升趋势;压电性能的提高可归因于粗晶粒中的畴壁钉扎效应。通过电学性能的研究,可以看出在1225℃温度下烧结的PZT-NC压电陶瓷具有最优越的电学性能。其次,对1225℃温度下烧结的PZT-NC压电陶瓷做了力学性能测试:利用压痕法测试断裂韧性,采用三点弯曲法测试弯曲强度,采用压痕强度弯曲梁法分析阻力曲线(R曲线),采用weibull统计方法分析弯曲强度及离散性。测试分析表明:PZT-NC压电陶瓷的断裂韧性由于铁弹增韧而呈现明显的各向异性,在空气、水和硅油中,PZT-NC压电陶瓷的断裂韧性依次提高,同时由于铁弹增韧,随着环境温度的升高,PZT-NC压电陶瓷的断裂韧性逐渐降低;铁电畴转向是铁电陶瓷中主要的增韧机制,随着裂纹扩展,裂纹尖端引力场诱导了铁弹畴90度转向,裂纹扩展阻力增大,导致了与垂直于极化方向相比,平行于极化方向有较高的断裂韧性平台值(K_(IRmax)),铁弹性增韧的最大值?K_(max)达到0.632MPa·m~(1/2);由于铁弹增韧阻碍了弯曲断裂时的裂纹扩展,提高了平行于极化方向的弯曲强度,同时可靠性也得以提高。通过对其力学性能的进一步分析,可以看出其不仅在空气中力学性能好,而且在水和油中断裂韧性更好,同时还能适应高温环境,为其在环境恶劣的混凝土结构中的可靠应用奠定了基础。最后,在前人所做工作的基础上,改进了适用于混凝土结构的嵌入式压电陶瓷应力传感器的制作工艺,将制作好的PZT基压电陶瓷埋入混凝土立方块中,并通过伺服作动器标定了压电陶瓷应力传感器在正弦动态荷载作用下的灵敏度。经过改进后的传感器受力更加均匀,具有良好的防水绝缘性能,传感器动态荷载响应良好,性能更加稳定,无论加载频率高还是低,无论荷载强度高还是低,传感器输出电荷量值和输入的应力值之间存在明显的线性关系,且输出的波形和输入的荷载在时间上同步,传感器具有较高的灵敏度和精确度。因此,本文所研究和制作的嵌入式压电陶瓷应力传感器性能可靠并且可广泛适用于监测混凝土等结构中的动态应力。
【图文】：

图 1.1 压电效应;(a)正压电效应；（b）逆压电效应Fig. 1.1 Piezoelectric effect; (a) positive piezoelectric effect; (b) negative piezoelectric effect有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷。下面介绍压电陶瓷的自发极化、铁电性及极1）压电陶瓷的自发极化现象电陶瓷内部自发极化现象使得压电陶瓷具备压电效应。自发极化由压电材料特分子结构所决定的并且具有方向性，属于物理现象。从微观机理出发，压电陶排列规则的原子组成的细小晶粒结合而成。其在后甲温度点以上属于立方晶系度对称无压电性，因此不出现电荷极化现象，如图 1.2(a): 当其处于居里温度点晶体内部结构产生变化，此时晶胞的 C 轴方向出现电极化现象，具备压电性，(b) 该极化是由于晶体内部结构变化引起而非外加电场的作用，即晶体的自发性

图 1.1 压电效应;(a)正压电效应；（b）逆压电效应Fig. 1.1 Piezoelectric effect; (a) positive piezoelectric effect; (b) negative piezoelectric effect具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷。下面介绍压电陶瓷的自发极化、铁电性及极化：（1）压电陶瓷的自发极化现象压电陶瓷内部自发极化现象使得压电陶瓷具备压电效应。自发极化由压电材料特殊部分子结构所决定的并且具有方向性，属于物理现象。从微观机理出发，压电陶瓷多排列规则的原子组成的细小晶粒结合而成。其在后甲温度点以上属于立方晶系高度对称无压电性，因此不出现电荷极化现象，如图 1.2(a): 当其处于居里温度点以，，晶体内部结构产生变化，此时晶胞的 C 轴方向出现电极化现象，具备压电性，见.2(b) 该极化是由于晶体内部结构变化引起而非外加电场的作用，即晶体的自发性极
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528

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本文编号：2592891