1-3型压电复合材料及其传感器性能的研究

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1-3型压电复合材料是由一维压电陶瓷柱平行嵌于三维连通的聚合物中而制成的具有压电效应的新型压电材料。压电陶瓷相的形状和体积分数是影响1-3型压电复合材料性能的关键。以1-3型压电复合材料为敏感元件做成传感器之后,其金属底座材料的杨氏模量、泊松比、厚度对传感器的电压输出会产生较大影响。本论文首先对1-3型压电复合材料的应用背景和研究现状进行综合评述,介绍了有限元分析方法在压电复合材料研究中的应用,然后采用ANSYS有限元软件分析了压电相形状和体积分数对1-3型压电复合材料性能的影响,最后模拟分析了用这种材料做成传感器之后,金属底座对其输出电压的影响。本论文的主要内容及结果如下:(1)研究了压电相形状对1-3型压电复合材料性能的影响。运用ANSYS有限元软件模拟了当压电相为圆柱、方柱和方圆相间时,1-3型压电复合材料内部应力、应变分布图。计算得出在这三种情况下,1-3型压电复合材料的弹性刚度系数,压电常数和介电常数。结果发现,压电相形状对1-3型压电复合材料的性能影响不大,但是1-3型压电复合材料的压电相为方柱和方圆相间时,其内部最大最小应力的分布对材料使用寿命的危害小于压电相为圆柱的情况,研究结果为制作1-3型压电复合材料时压电相形状的选择提供了理论依据。(2)对1-3型压电复合材料压电相为圆柱、方柱和方圆相间时,压电相体积分数对1-3型压电复合材料性能影响进行了研究。压电相为一定形状时,改变压电相在1-3型压电复合材料中的体积百分比,得到压电相在不同的形状(圆柱、方柱、方圆相间)时,1-3型压电复合材料的有效特征参数随压电相体积分数几乎呈线性变化的曲线图,研究结果为根据实际要求合理选择压电相的体积分数提供了有力依据。(3)研究了金属底座对1-3型压电复合传感器输出电压的影响。通过建立1-3型压电复合传感器的模拟图,计算其压电输出,得知随金属底座的杨氏模量的增大(泊松比的减小)1-3型压电复合传感器输出电压逐渐增大;不同材料作为金属底座时,随着其厚度的增加,传感器的输出电压呈现先增大后减小的趋势,研究结果为实际制作1-3型压电复合传感器时,合理选择金属底座材料和厚度尺寸提供了依据。本论文较为全面的研究了1-3型压电复合材料压电陶瓷相几何特性对其特征参数的影响。初步探讨了1-3型压电复合传感器的金属底座材料参数对其电压输出的影响。本论文的研究结果对制作1-3型压电复合传感器具有实际指导意义。
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