压电陶瓷激活微小型热化学电池的关键技术研究

发布时间：2020-05-21 15:44

【摘要】：随着现代战争环境的日益复杂,武器装备的微小型化已成为主要的发展趋势之一,军用热电池被誉为弹载武器系统的“心脏”。因此,对军用热电池的需求量巨大,而现有的激活热电池方式不但激活时间长,而且占用弹内空间大,严重制约了热电池的微小型化发展。本文改变原有的热电池激活手段,拟采用全新的自供能技术,将叠堆压电陶瓷片作为激活能源,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,开展了压电陶瓷激活微小型热电池的关键技术研究。取得的主要研究成果如下:构建由压电陶瓷堆、电点火头、电极以及绝缘系统所构成的微小型热电池激活系统的实验模拟平台,以一级轻气炮以及霍普金森压杆作为加载系统,自行建立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。开展了一级轻气炮加载弹丸以不同速度高速撞击不同层数以及不同尺寸的PZT-5H压电陶瓷堆所构成的复合结构的实验,探索不同条件下产生的应力波在压电陶瓷中的传播,结合民用电点火头、军用电点火头及铝热反应含能桥作为负载进行不同组合结构的实验,得到不同组合下的电输出信号。结果表明,冲击压力峰值随着碰撞速度的增大而增大,压电陶瓷输出电压峰值与冲击压力峰值近似呈线性增加关系。进行了霍普金森系统加载撞击杆以不同速度作用于压电陶瓷的实验,结合ANSYSLS-DYNA数值模拟,直观地研究压电陶瓷中的应力状态分布。并负载军用电点火头,得到不同冲击压力下压电陶瓷的电输出信号。结果表明,模拟结果和实验结果基本吻合,霍普金森加载弹丸得到压电陶瓷的冲击压力持续时间比一级轻气炮加载弹丸得到的压电陶瓷的冲击压力持续时间明显延长几十微秒,因此可以通过霍普金森加载弹丸作用于压电陶瓷的实验模拟膛压对压电陶瓷堆的作用过程。提高压电陶瓷激活微小型热电池可靠性是关键技术之一。为了验证压电陶瓷激活微小型热电池的关键技术更加合理,对电点火头的发火机制进行了研究,从而确定点燃电点火头的最小热量值,在压电陶瓷预破碎情况下,利用一级轻气炮加载弹丸以208m/s的速度撞击压电陶瓷复合靶板,检验压电陶瓷激活微小型热电池可靠性。实验结果表明:电点火头的发火过程属于热激发过程,军用电点火头发火的最小热量为0.27mJ,压电陶瓷在破碎情况下其压电性能不变,即压电陶瓷材料的压电效应实现电池在使用中早期激活的可靠性是比较高的。
【图文】：

利用压电材料的正压电效应，提出了悬臂梁式压电发电结构的设计方法，结合逡逑Ｍａｔｌａｂ软件对发电结构进行的压电耦合分析，对纤维悬臂梁结构的压电发电装置逡逑进行了研制，并通过实验验证表明在压电元件持续振动下能够产生交变电流。张逡逑智丹等［？利用霍普金森压杆对压电陶瓷进行冲击实验，分析了压电陶瓷ＰＺＴ＿５在逡逑冲击载荷作用下的灵敏度，实验结果表明，，当小于７０ＭＰａ的冲击力作用在压电陶逡逑瓷上时，压电陶瓷的灵敏度为６５３．８ｐＣ／Ｎ，压电陶瓷的响应时间随着冲击压力的增逡逑大而减小。２００９年，王光庆［２２】利用压电叠堆振动方式以及压电振动、杆的波动理逡逑论设计了一种压电发电装置，如图１．１所示，将２５５片压电陶瓷圆环以机械串联电逡逑学并联的方式连接构成压电叠堆。结果表明，压电叠堆的输出电压随着外力激振逡逑幅值的增大而增大，当激振力频率与装置的谐振频率相同时，压电叠堆的输出电逡逑压以及输出电流达到最大值。当叠堆压电陶瓷发电装置的负载与其阻抗匹配时，逡逑此装置的机电转换效率达到最大值。逡逑连接蠓母逦压电Ｓ堆逦力传感器邋球铰邋激振杆逡逑

加载系统,实物,撞击杆,示意图

逦逦逡逑比为２０－１００，为了与试件和撞击杆保持稳定的接触，压杆的端面一般为平面；逡逑（２）支撑和对准系统：确保撞击杆、压杆和试件保持同一水平，满足一维应逡逑力波传播的要求；逡逑（３）撞击杆撞击装置：撞击杆与压杆直径和材料相同；逡逑（４）测量装置：在杆的端面粘贴ＰＶＤＦ压电传感器，测量压电陶瓷接触面的逡逑冲击压力时程；逡逑（５）集成数据采集和处理系统：压杆作用到试件产生的应力波传入ＰＶＤＦ，逡逑示波器采集记录ＰＶＤＦ产生的电压，利用Ｍａｔｌａｂ软件编程得到冲击应力时程。逡逑将试件放置于入射杆与透射杆之间，撞击杆以某一速度撞击入射杆，会产生逡逑压缩波，并在入射杆中向试件方向传播。入射杆中应力波传到试件（绝缘纸、ＰＶＤＦ、逡逑压电陶瓷、绝缘纸）时，压电陶瓷在应力脉冲的作用下发生破碎，应力波一部分逡逑会反射到入射杆中形成反射波，另一部分会通过试件，传播到透射杆形成透射波。逡逑２．２加意与。逡逑
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM915

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