正交异性压电复合材料及其传感器的制备与性能研究

发布时间：2019-01-30 18:16

【摘要】：水泥基压电复合材料具有与混凝土相容性好、响应速度快、传感精度高,集传感和驱动一体化的优异特性,非常适合于监测混凝土结构的损伤、变形和内部应力变化等情况。然而由单一的压电陶瓷经切割-浇注法制备而成的压电复合材料具有平面横观各向同性,对于来自不同方向的结构损伤信息无法有效鉴别。因此研制具有平面各向异性的水泥基压电复合材料,实现对混凝土结构损伤源的精确定位具有很重要的现实意义。本文以PZT-5压电陶瓷作为功能相,以聚合物/水泥的混合物作为基体相,结合切割-浇注与排列-浇注的方法,改进工艺方法制备了1-3型正交异性压电复合材料(OPCM),并对不同高度,不同宽度,不同并联个数、不同基体配合比下的1-3型OPCM的压电性能、介电性能、机电耦合性能做了探讨。结果表明:1-3型OPCM的压电应变常数与压电电压常数随高度增加不发生明显变化,介电常数εr与介电损耗tanδ呈现不规律变化,谐振频率随着高度变化出现耦合作用;1-3型OPCM随宽度增加压电应变常数增加,压电电压常数减小,介电常数εr增加,介电损耗tanδ减低,谐振频率向低频移动;1-3型OPCM的压电应变常数随基体中水泥质量分数的增加略微降低,压电电压常数、介电常数εr与介电损耗tanδ呈现不规律变化,基体配合比对压电复合材料的机电耦合性能影响较小;1-3型OPCM的压电应变常数与压电电压常数随压电相并联级数的增加显著增大,介电常数εr降低,介电损耗tanδ增大,不同宽度的压电复合材料随并联级数的增加其阻抗值降低。对不同高度,不同宽度,不同并联个数、不同基体配合比下的1-3型OPCM正交异性特性做了研究。结果表明,高度的变化对1-3型OPCM的正交异性特性影响不大;宽度的增加对1-3型OPCM正交异性特性影响不大,但其在正交方向上的接收到的电压信号幅值呈现略微增大趋势;基体配合比的改变对压电复合材料的正交异性特性影响不大,随着基体水泥质量分数的增加,压电复合材料接收到的电压信号幅值呈先上升后下降的趋势;并联级数大于三级时,压电复合材料表现出明显的正交异性特性,压电复合材料的电压信号幅值逐渐增加。利用压电复合材料的本构方程,对复合材料中压电陶瓷相的关系矩阵进行坐标变换,以此而得1-3型OPCM的本构方程,分析了1-3型OPCM在平面内具有各向异性的原因。将1-3型OPCM利用钨粉、水泥/环氧树脂聚合物、屏蔽材料等进行封装,并成功制备正交异性压电传感器,对正交异性压电传感器的平面信号响应及衰减性能进行了详细研究,并对被测试件表面的声发射信号损伤进行了初步定位探讨。结果表明:经过封装后的压电传感器正交异性特性十分显著,正交异性压电传感器具有较高的灵敏度和带宽。在改变测试角度与测试距离的情况下,正交异性压电传感器的信号幅值曲线与信号电压曲线均具有“余弦”变化趋势;随着测试距离逐渐增大,正交异性压电传感器各个方向的信号幅值与电压幅值均逐渐减小,其测试距离最远为650mm;正交异性压电传感器在混凝土板上接收信号幅值低于玻璃表面,正交异性特性不变。正交异性压电传感器的可重复性良好;利用正交异性压电传感器进行定位实验研究,结果表明其定位结果准确,误差较小。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33;TP212

【参考文献】

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本文编号：2418381