（材料学专业论文）13型正交异性水泥基压电复合材料的制备与性能研究.pdf

l 一、 f a b r i c a t i o na n d p r o p e r t i e so f 1 - 3o r t h o t r o p i cc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e z h a n gz o n g z h e n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f c h e n g x i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：致盆! 拉 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 留么开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者躲趁边毖导师虢卫丛嗍刎牟白弘目 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 水泥基压电复合材料的研究进展1 1 3 正交异性压电复合材料的研究概况3 1 3 1 正交异性压电复合材料简介3 1 3 2 正交异性压电复合材料的研究进展4 1 4 水泥基压电复合材料存在的问题及展望6 1 5 本文的主要研究内容7 第二章1 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的机理研究8 2 11 - 3 型水泥基压电复合材料的复合原理8 2 21 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的复合原理9 2 2 11 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的结构9 2 2 21 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的本构方程1 0 2 5 本章小结1 2 第三章正交异性水泥基压电复合材料的制备与性能表征1 4 3 1 仪器设备1 4 3 2 原材料1 4 3 3 实验过程1 5 3 3 1 普通的1 - 3 型水泥基压电复合材料的制备方法1 5 3 3 21 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的制备工艺探讨1 6 3 3 3 试样的制备1 6 3 3 4 性能测试1 8 3 4 31 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料在模拟声源下的响应情况1 8 第四章卜3 型正交异性水泥基压电复合材料性能分析2 0 4 1 压电相的频率特性2 0 4 1 1 有限元模型的建立与加载2 0 l 1 3 型正交异性水泥基压电复合材料的制备与中丰能研究 4 1 2 结果分析2 3 4 2 复合材料的压电性能2 6 4 3 复合材料的正交异性特性2 8 4 4 本章小结2 9 第五章1 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料性能的影响因素3 1 5 1 压电陶瓷体积分数对复合材料性能的影响3 l 5 1 1 试样制备3 1 5 1 2 结果分析3 2 5 2 形状参数对复合材料性能的影响3 3 5 2 1 试样制备3 3 5 2 3 压电陶瓷柱长宽比对复合材料压电性能的影响3 4 5 2 4 压电陶瓷柱厚度对复合材料压电性能的影响3 5 5 3 底座厚度对复合材料性能的影响3 6 5 3 1 实验过程3 6 5 4 分支电极宽度对复合材料性能的影响3 8 5 4 1 试样制备3 8 5 4 2 结果分析3 8 5 5 基体对复合材料性能的影响4 0 5 5 1 试样制备4 1 5 5 2 不同水泥基体的复合材料的压电性能分析4 l 5 5 3 水灰比对复合材料压电性能的影响4 2 5 5 本章小结4 3 第六章1 - 3 型正交异性水泥基压电传感器应用于a e 传感的初步研究4 5 6 1 声发射( a e ) 简介4 5 6 2 声发射检测技术用与混凝土无损健康监测4 5 6 3 声发射检测技术参数的设置4 6 6 3 1 门槛的设置4 6 6 3 2 时间参数的设置4 8 6 4 不同类型压电传感元件在模拟声源下的响应情况5 0 6 4 1 测试方案5 0 6 4 2 结果分析5 0 济南大学硕卜学位论文 6 5 传感元件对整个平面内声发射信号的响应情况5 3 6 5 1 测试方案5 3 6 5 2 结果分析5 4 6 6 混凝土材料中声发射信号的衰减6 0 6 6 1 测试方案6 0 6 6 2 结果分析6 0 6 7 声发射传感元件的尺寸效应6 5 6 8 本章小结6 7 第七章结论与展望6 8 参考文献7 0 致谢7 6 附录7 7 一、在校期间发表的学术论文7 7 二、在校期间获奖情况7 7 i i i 济南大学硕士学位论文 摘要 水泥基压电复合材料能够有效地解决土木工程结构中传统的智能材料与混凝土 结构相容性不好的缺点，在土木工程领域中引起了广泛的关注，是一种很有发展前途 的新型传感材料。但水泥基压电复合材料具有平面各向同性的特点，同时等灵敏度的 接受来自不同方向的应力波，无法有效地区别不同方向的应力波，这样就很难对混凝 土结构的裂纹进行准确的定位。 通过切割一浇注与排列一浇注相结合的方法，以水泥为基体，压电陶瓷p z t - 5 1 为 功能体，制备了1 3 型正交异性水泥基压电复合材料。复合材料中压电陶瓷柱的极化 方向与x 轴方向平行，利用d a d 9 1 e 导电胶在复合材料的内部形成叉指型电极结构， 改变了传统的水泥基压电复合材料内部的电场分布和振动耦合模式，使复合材料在保 持水泥基压电复合材料的优点的同时，解决了普通水泥基压电复合材料平面各向同性 的缺点。由于压电常数的不同，复合材料具有平面正交异性特性，对应力波的方向能 够作出有效地判断。研究了压电陶瓷体积分数、形状参数、分支电极宽度和不同基体 对复合材料性能的影响，对其应用于声发射( a e ) 传感进行了研究。 对1 3 型正交异性压电复合材料的结构、复合原理及内部电场分布进行了分析， 提出了复合材料的设计流程；对正交异性水泥基压电复合材料的影响因素进行了分 析，为实验分析提供了理论基础。 对复合材料内部的压电阵列进行了实验与有限元模拟，为不同带宽的复合材料的 制备提供了理论基础；1 3 型正交异性水泥基压电复合材料不仅横向效应系数较小， 而且压电应变常数盔3 远大于纯压电陶瓷和普通的1 3 型水泥基压电复合材料。这说 明1 3 型正交异性水泥基压电复合材料大大的提高了复合材料的传感性能的同时，使 其具有明显的平面正交异性特性，对平面正交方向的应力波具有不同的灵敏度。 对复合材料的各影响因素进行了实验研究，结果表明：压电陶瓷的体积分数是影 响复合材料传感性能的重要因素，随着压电陶瓷体积分数的增大，复合材料的压电性 能逐渐增大，横向效应系数变化不大；压电陶瓷柱的长宽比是影响复合材料正交异性 特性的重要因素，随着长宽比的增大，复合材料的压电应变常数逐渐增大，横向效应 系数逐渐减小；复合材料的性能随厚度的变化不大；底座的存在降低了复合材料的正 交异性特性，底座厚度越小，复合材料的正交异性特性越明显；在电极间距不变的情 况下，随着分支电极宽度的增大，复合材料的压电常数逐渐减小，横向效应系数逐渐 v 1 3 犁f 交异性水泥幕压电复合材料的制备与忤能研究 增大；对不同基体的复合材料的性能研究表明，在水化早期贝利特一硫铝酸钡钙水泥 为基体的复合材料的压电性能最好；复合材料的传感性能随水灰比的增大而增大，水 灰比对横向效应系数的影响不大。 对1 3 型正交异性水泥基压电复合材料用于声发射传感进行了初步研究，发现1 3 型正交异性水泥基压电复合材料对不同方向的声发射信号的接收灵敏度明显的不同， 验证了复合材料的正交异性特性；利用1 3 型正交异性水泥基压电传感元件，对声发 射信号在混凝土材料中的衰减情况进行了研究，随着复合材料传感性能的增大，传感 元件能够检测的最大距离逐渐增大；与瓷砖相比，混凝土结构中的声发射信号的衰减 机制更为复杂，除了几何衰减外，由于混凝土结构相对复杂、介质均匀性较差且表面 相对粗糙，声发射信号在传播过程中发生了散射和衍射的现象，且对声发射信号的衰 减产生了很大的影响，同时使传感元件接收到的信号与原始信号差距较大，测试结果 误差较大；在实际应用中，传感元件的尺寸是影响灵敏度和固有频率的重要影响因素， 所以，应根据实际情况对压电陶瓷柱的形状参数进行设计。 关键词：1 3 型水泥基压电复合材料；叉指型电极：正交异性特性；声发射 v i 济南大学硕上学位论文 a b s t r a c t c e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s ，w h i c hh a v ee f f e c t i v e l yo v e r c o m e dt h e c o m p a t i b i l i t yp r o b l e mb e t w e e nt r a d i t i o n a ls m a r ti n t e l l i g e n tm a t e r i a l sa n dc o n c r e t em a t e r i a l i nc i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，h a v ed r a wp e o p l e sa t t e n t i o ni nt h ec i v i le n g i n e e r i n gf i e l d i t i sap r o m i s i n gn e wt y p eo fm u l t i f u n c t i o n a lm a t e r i a l b u tt h ec e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i c c o m p o s i t eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fi s o t r o p y i th a st h ee q u a ls e n s i t i v i t yf o rs t r e s sw a v e s f r o md i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dc a nn o td i s t i n g u i s ht h ed i r e c t i o no ft h ep l a n es t r e s sw a v e s t h u s ，i th a ss o m ed i f f i c u l tt op o s i t i o n i n gt h ec r a c ko ft h ec o n c r e t es t r u c t u r e sa c c u r a t e l y 1 - 3 o r t h o t r o p i cc e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yt h e c u t - f i l l i n ga n da r r a n g e f i l l i n gt e c h n i q u e ，u s i n gp z t - 5 1c e r a m i ca sf u n c t i o n a lm a t e r i a la n d c e m e n ta sp a s s i v em a t r i x p i e z o c e r a m i cr o d sa r ep o l e di nt h ea x i sxd i r e c t i o n af o r m a t i o n o fi n t e r d i g i t a t e de l e c t r o d ew a sc o n s t r u c t e du s i n gd a d 一91ec o n d u c t i v ea d h e s i v ei n t e m a l c o m p o s i t e t h ei n t e r n a le l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o na n dc o u p l e dv i b r a t i o nm o d a lo ft h e t r a d i t i o n a lc e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sw e r ec h a n g e d w i t hk e e p i n gt h e b e n e f i t so fc e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e s ，t h ed i s a d v a n t a g eo fi s o t r o p i cw e r e s o l v e d t h i sm a t e r i a lo f f e r t h eo r t h o g o n a la n i s o t r o p i cp i e z o e l e c t r i c i t yb e c a u s eo ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep i e z o e l e c t r i cs t r a i nc o e f f i c i e n t 蟊3a n dd 31 i tc a ne f f e c t i v e l y d i s t i n g u i s ht h es t r e s sw a v e sf r o mt h e d i f f e r e n td i r e c t i o n so nt h es a m es u r f a c e t h e i n f l u e n c eo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cv o l u m ef r a c t i o n ，a s p e c tr a t i oo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c r o d s ，e l e c t r o d ew i d t ha n dd i f f e r e n tc e m e n tm a t r i xo np e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e sw e r e a n a l y z e d i t sa p p l i c a t i o ni na c o u s t i ce m i s s i o n ( h e ) s e n s o rw a ss t u d i e d t h ei n t e r n a ls t r u c t u r e ，c o m p o s i t ep r i n c i p l ea n dd i s t r i b u t i o no fi n t e r n a le l e c t r i cf i e l do f t h e1 - 3o r t h o t r o p i cp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ew e r ea n a l y z e d t h ed e s i g np r o c e s so ft h e c o m p o s i t ew a sp r e s e n t e d t h ef a c t o r so fo r t h o t r o p i cc e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ， w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ee x p e r i m e n t ，w e r ea n a l y z e d t h ep i e z o e l e c t r i ca r r a y si n t e m a lt h ec o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e db ye x p e r i m e n ta n d f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef a b r i c a t i o no fd i f f e r e n t b a n d w i d t hc o m p o s i t e t h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t a n td 3 3o f1 - 3o r t h o t r o p i cc e m e n tb a s e d v i l 1 3 型正交异性水泥基压电复合材料的制备与性能研究 p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ei s m u c hh i g h e rt h a nm o n o l i t h i cp i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca n dt h e g e n e r a l1 - 3c e m e n tb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e w h i l et h eh o r i z o n t a le f f e c tc o e f f i c i e n ti s m u c hs m a l l e r i ti n d i c a t e st h a tt h es e n s i n gc a p a b i l i t i e so f1 - 3o r t h o t r o p i cc e m e n tb a s e d p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t ei sg r e a t l yi m p r o v e d ，f b r t h e r m o r e ，i to f f e ro r t h o t r o p i cp r o p e r t i e so f p i e z o e l e c t r i c i t y a n dh a sd i f f e r e n tr e c e i v i n gs e n s i t i v i t yf o rt h es t r e s sw a v e sf r o mt h e o r t h o g o n a ld i r e c t i o n s t h ev a r i o u sa f f e c t i n gf a c t o r so ft h ec o m p o s i t ew e r er e s e a r c h e da n dt h er e s u l t sw e r e 济南大学硕十学位论文 c o m p o s i t e ，t h eu t m o s td e t e c t i o nd i s t a n c eo ft h es e n s o ri n c r e a s e s t h es i z eo fs e n s o ri sa n i m p o r t a n tf a c t o ro fs e n s i t i v i t y t h e r e f o r e ，i np r a c t i c e ，t h ed e s i g no fa s p e c tr a t i o s o f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cr o d ss h o u l db eb a s e d o nt h ea c t u a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：1 - 3c e m e mb a s e dp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e ；i n t e r d i g i t a t e de l e c t r o d e ； o r t h o t r o p i cp r o p e r t i e s ；a c o u s t i ce m i s s i o n 济南大学硕十学位论文 ! i i,iii i 量 1 1 研究背景 第一章绪论 压电复合材料是由具有压电效应的功能相与基体相按照一定的联通方式组 合在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料【l j 。各相材料在压电复合材料中 连通方式的不同对复合材料的性能有重要的影响。压电复合材料可以分为o o 、 0 1 、o 2 、0 3 、1 1 、1 2 、1 3 、2 2 、2 3 、3 3 型等十种基本类型。由于基体材 料的引入，压电复合材料保持了压电陶瓷的压电性能的同时，克服了压电陶瓷的 缺点，并有效地结合了基体材料的性能，改善了材料的综合性能，对智能材料的 实际应用提供了良好的基础拉j 。 随着社会经济的发展和科学技术的进步，建筑工程结构，尤其是大型的基础 设施工程结构( 如桥梁、大坝、公路、治理边坡等等) 的安全监测，越来越成为 工程科学领域研究的重点【3 ，5 】。而土木工程领域中所利用的传统智能材料具有功 能单一、抗干扰能力差、与母体材料相容性差等缺点，从而严重影响了智能材料 性能的发挥，无法获得准确的测试结果，阻碍了土木工程结构向智能化方向发展 的脚步1 6 ，t i 。 1 3 型水泥基压电复合材料制备工艺简单，成本低，且与混凝土母体结构材 料具有良好的相容性，在土木工程的健康检测中具有良好的应用前景。但由于压 电材料自身的特性，普通的1 3 型水泥基压电复合材料具有平面各向同性的特点， 在平面内同时等灵敏度的接收任意方向的应力波，无法有效辨别应力波的方向。 因此为了使压电传感元件对构件中应力或应力波的方向作出正确的判断，应构造 出一种1 3 型正交异性水泥基压电复合材料，使其在平面各方向上的压电性能不 同，从而克服目前水泥基压电复合材料的缺点，对各类土木工程结构进行健康检 测，更加准确的对混凝土结构中的裂纹、损伤进行定位和预报【8 】。 1 2 水泥基压电复合材料的研究进展 以水泥作为基体，压电陶瓷为功能体而制各的水泥基压电复合材料，由于其 与混凝土母体结构的良好的相容性、造价低、耐久性好等优点而引起了国内外学 1 - 3 型j 下交异性水泥基压电复合材料的制备与性能研究 i i i 者的广泛关注【9 j o 。 李宗津等首次制备了o 3 型水泥基压电复合材料。发现o 3 型水泥基压电复 合材料的声阻抗特性随着压电陶瓷体积含量的变化而变化，在特定的组分比例 下，声阻抗能够达到9 0 x 1 0 6 k g m 2 s 左右，与混凝土母体结构的声阻抗非常接近 1 l , 1 3 】。通过m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r y ( m i p ) 方法得到了复合材料内部的气孔 结构，发现气孔形成的原因主要是由于压电陶瓷颗粒与水泥颗粒的表面的化学反 应所致，随着压电陶瓷体积含量的增大，孔隙率逐渐减小，研究了气孔结构对复 合材料压电与介电性能的影响规律【1 4 1 。李宗津等还得出了o 3 型水泥基压电复合 材料厚度振动的等效电路模型，给出了各相材料的基本参数与等效电路参数的相 互关系【1 5 】。以p z t 、白水泥和少量碳黑制备了碳黑改性水泥基智能复合材料， 发现碳黑的加入降低了复合材料在室温下的极化过程，并大大提高了复合材料的 传感性能【1 6 】。张东、李宗津等制备了2 2 型压电机敏复合材料，在超低频范围内， 对其传感与驱动性能进行了分析【1 7 1 。 程新，黄世峰等以硫铝酸盐水泥为基体，采用压制成型法，成功制备了o 3 型水泥基压电复合材料，并得出了掺杂、成型压力、陶瓷功能体、极化工艺及温 度等对复合材料的介电、压电、铁电及机电性能的影响规律1 8 2 8 1 。通过x r d 和 s e m 对水泥基压电复合材料的相组成和显微结构进行了分析和观察，结果表明 p l n 压电陶瓷颗粒不但在水泥基体中的分布较均匀，并且与硫铝酸盐水泥基体 的各种水化产物结合较致密。 香港理工大学的k h l a m 将通过流延成型制得的压电纤维排列到水泥基 体中，制备出了水泥基压电纤维复合材料，这种材料的压电陶瓷体积分数很低 ( o 0 5 0 0 2 ) ，通过实验与理论计算发现复合材料具有良好的压电性能，厚度机 电耦合系数在压电陶瓷体积分数很低的情况下可以达到0 5 ，是水泥基压电复合 材料研究的一个新的突破【2 9 删。 刘亚妹，胡雅丽等采用了切割浇注法，成功制备了1 3 型水泥基压电复合材 料，并研究了环境湿度、压电陶瓷柱的宽厚比和体积百分数等影响因素对复合材 料压电、介电及机电耦合性能的影响规律，通过调节复合材料的基本参数，使复 合材料声阻抗与混凝土材料的声阻抗十分接近；刘亚妹还制备了1 3 2 型水泥基 压电复合材料，对其性能进行了初步研究，与1 3 型水泥基压电复合材料进行了 2 济雨大掌坝十掌位论文 比较【3 1 。3 3 1 。 郭丽丽【3 4 】将聚合物与水泥进行了配比，并以此为基体成功制备了1 3 型聚合 物水泥基压电复合材料并对其性能进行了研究，发现聚合物水泥基压电复合材 料的压电应变常数西3 、压电电压常数9 3 3 、机电耦合系数墨和频带宽掣都有所 提高，而机械品质因素鳊和相对介电常数s r 明显减小，声阻抗z 则变化不大。 1 3 正交异性压电复合材料的研究概况 1 3 1 正交异性压电复合材料简介 由于纯压电陶瓷材料在元件的工作平面内具有压电各向同性的特点，作为驱 动元件利用横向压电应变常数西j 和如在两个非极化方向上产生相同的平面驱动 应变，作为传感元件将同时等灵敏度地接收任意方向的应力波1 3 5 1 。正交异性压电 复合材料因为其特殊的构造使其对不同方向的应力具有不同的响应灵敏度，同时 能够产生特定方向的应力波，因此受到国内外学者的广泛关注。 目前用来构造正交异性压电复合材料的相关技术主要有以下几种【6 3 】： 第一种、压电纤维复合材料技术。将制备出的压电陶瓷纤维作为功能体植入 到基体中，使用内置的薄片状电极在材料的上下表面产生驱动电场，由于压电陶 瓷纤维结构上的正交异性，使复合材料在力学、电学上具有了明显的正交异性特 性。此方法的优点是大大的提高了复合材料的柔韧性；缺点是压电陶瓷纤维的极 化方向仍然沿着厚度方向，利用的是非极化方向的压电应变常数如l 3 5 】。 第二种、交叉指形电极技术【3 6 j 。交叉指型电极的引入改变了传统压电陶瓷的 极化方式，与普通电极的压电元件相比，交叉指形电极压电元件在平面正交方向 上的传感与驱动能力不同。这一技术的优点是改变了压电陶瓷的极化方向，使其 沿着元件的几何轴向，因此在平面内其压电常数不同；缺点是继承了压电陶瓷脆 性大、柔韧性差、极限应变小和抗破坏性差的缺点。 第三种、交叉指型电极压电纤维复合材料技术。此技术是了交叉指型电极和 压电纤维复合材料两种技术的结合【3 7 1 。在未极化的压电纤维复合材料上下表面构 造出交叉指型电极，在对复合材料进行极化，该方法既继承了压电纤维复合材料 柔韧性好，结构各向异性的特点，又利用了压电陶瓷的压电应变常d 3 3 3 8 o 第四种、根据叉指型电极的理论基础，通过特殊的构造和设计，改变压电复 1 3 型正交异性水泥幕压电复合材料的制备与性能研究 合材料中压电陶瓷的排列方式和尺寸，以导电胶在复合材料构造出交叉指型电 极。这种方法的制备工艺相对简单，成本较低，设计自由度大且复合材料具有更 好的抗破坏性能。 1 3 2 正交异性压电复合材料的研究进展 骆英 3 9 , 4 0 】等人通过排列浇注法制备了正交异性压电复合材料，从理论和实 验上分析研究了影响其力、电特性的主要因素；对衡量压电复合材料压电正交异 性特性的横向效应系数进行了定义【4 l 】；与单一的压电陶瓷元件进行了对比研究， 发现正交异性压电复合材料呈现出评先的正交异性特性【4 2 】；并证明了极化方向垂 直于受力平面的1 3 性压电复合材料不具有正交异性特性，仅当压电相的极化方 向与传感元件的受力面平行时才具备正交异性的特性【5 3 】；得出了正交异性压电传 感元件测量各向同性和各向异性材料表面的应力传感方程，还得出了埋入式正交 异性压电传感元件测量构件内部的应力传感方程和测量复合材料层合板层间剪 应力的传感方程m 4 5 1 。 张礼华利用排列浇注法制备了压电纤维复合材料，并建立了理论模型。利 用有限元方法对其进行了理论分析，并与实验结果相对比，进行了优化设计m 】。 谷昆仑等研制出了正交异性压电复合材料换能器，并通过理论仿真分析和试 验研究，发现o p c m 驱动器压电元件在结构上采取力学串联、电学并联的方式。 通过理论和实验分析了该换能器件的驱动与传感的正交异性特性，发现在不改变 驱动频率和驱动电压的前提下能够得到比普通换能器更大的驱动能量【4 刀。 李允建立了1 3 型压电纤维复合材料有限元徽机电模型，提出了优化方案。 发现交叉指型电极结构的引入，使复合材料的横向效应系数提高了2 3 倍【4 3 j 。 陈勇等人以交叉指形电极纯陶瓷压电元件和交叉指形电极压电纤维复合材 料( i d e p f c s ) 作为研究对象，利用大型通用有限元软件a n s y s ，模拟和仿真了 复合材料的结构和界面参数，分析了电极的基本参数、组分材料特性和压电元件 关键尺寸对驱动器性能的影响，给出了各种影响的规律，并发现聚合物相的介电 常数对i d e p f c s 元件的驱动性能影响比较大，采用高介电常数的聚合物相可以成 倍地提高驱动元件的性能 4 9 , 5 0 】。刘永刚还采用有限元法分析了在外加电压作用下 的压电纤维复合材料的静电场分布，并讨论了电极宽度( 电极周期) 对材料内部 电场的影响以及静电场对复合材料极化和驱动性能的影响。发现提高电极材料的 4 济南大学硕十学位论文 导电性和电极宽度( 减小电极周期) ，能够增加材料内部的均匀电场区域从而增 加电场强度，最大能够提高5 5 倍【5 1 , 5 2 1 。 北京航空航天大学的赵寿根等人通过并联模型( 极化方向) 和混合串并联模 型( 极化方向的垂直方向) 对正交异性压电复合材料的力学性能和电学性能参数 进行了描述，并预报了压电复合材料的力学性能和电学性能参数【5 引。 同时顾建祖，王鑫伟等【5 4 】通过实验和理论分析对正交异性压电复合材料传感 器的正交异性特性进行了分析与验证，并发现与普通的p z t 传感器相比，该传 感元件对横向信号的干扰能够起到有效地抑制，从而能够更加精确的对裂纹进行 定位。沈毅，裴文江等1 5 5 , 5 6 j n 备了正交异性a e 传感元件，对宿主材料施加了脉 冲载荷，研究了传感元件对声发射模拟信号的响应情况，并进行了频域响应特性 的分析。 沈惠申等提出了一种由压电纤维复合材料、正交异性弹性聚合物和交叉指型 电极构成的四边简支混合层合板。在薄板理论的基础上，通过傅里叶级数展开法 建立了轴向振动和横向振动的控制微分方程，例证了此结构的刚度正交异性和自 由应变正交异性。发现由于正交异性压电材料的引入，此结构轴向的灵敏度远大 于横向响应灵敏度【5 7 , 5 8 】。q u a n t i a nl u o 等通过正交异性压电驱动元件制备了高精 度的弯曲变形控制板，并进行了有限元分析，通过优化正交异性压电驱动元件的 电场，研究了其扭曲和弯曲变形控制，发现此控制系统不仅仅在静态的变形控制 中很精确，在受到轻微诱导应变的情况下，也可以实现对板弯曲的有效控制【5 9 】。 s a d a l i 等对带有正交异性压电传感元件和驱动原件的层合板进行了分析，得出 了振动控制问题的微分方程，得到了压电控制单元的特种频率和特征函数1 6 0 1 。 p i n gt a n 等研究了带有压电纤维复合材料层的悬臂梁的动态特性，得出了阻尼层 和电极形式对复合材料性能的影响，发现由于叉指型电极的引入使整个梁系统的 阻尼系数提高了两倍【6 。w i e l a n db e c k e r t 等通过有限元方法对极化方向为轴向方 向的叉指型电极压电驱动元件建立了模型。对各相材料的几何参数及性能参数对 驱动元件得变形和疲劳性能的影响进行了研究，结果表明电极宽度、电极距离、 压电相的体积含量和压电纤维的数量等对复合材料的性能具有重要的影响【6 2 】。w b e c k e r t 等利用不同的模型对层状压电纤维复合材料的压电性能进行了研究，对各 个模型的结果进行了分析和对比，并验证了由于压电应变常数的不同( d a 3 d 3 1 ) ， 卜3 型正交异性水泥摹压电复合材料的制备弓性能研究 复合材料在不同方向所产生的应变不同【6 3 1 。 纵观这些研究成果，正交异性压电传感元件的优越性引起了广泛的关注。若 能够制备出适用于混凝土材料中的正交异性水泥基压电复合材料，将在土木工程 结构和基础设施的健康监测、损伤定位等领域中发挥更加突出的作用，有很大的 发展前景。 济南大学硕十学位论文 及其水化特性，传统的压电复合材料的模型无法应用到水泥基压电复合材料中， 因此应根据水泥基压电复合材料的特殊之处，重点研究水泥基压电复合材料的理 论模型方面的工作，指导实验。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 探讨1 3 型正交异性水泥基压电复合材料的构造方式与复合原理，对复 合材料进行设计，确定正交异性水泥基压电复合材料的制备方法。 ( 2 ) 利用切割浇注与排列浇注相结合的方法，以普通硅酸盐水泥为基体， p z t - 5 1 为功能体，利用环氧d a d 9 1 e 导电胶构造出叉指形电极，制备出1 3 型正 交异性水泥基压电复合材料。对复合材料内部的压电阵列进行实验与有限元模 拟，为不同带宽的复合材料的制备提供理论基础；与压电陶瓷和普通的1 3 型水 泥基压电复合材料的压电性能进行对比分析，并验证复合材料的正交异性特性。 ( 3 ) 利用切割浇注与排列浇注相结合的方法，以普通硅酸盐水泥为基体， p z t - 5 1 为功能体，利用环氧d a d 9 1 e 导电胶构造出叉指形电极，制备出1 3 型正 交异性水泥基压电复合材料。研究压电陶瓷相的体积分数、长宽比、复合材料的 厚度、底座厚度、分支电极宽度对复合材料性能的影响。 ( 4 ) 以p z t - 5 1 为功能体，分别以普通硅酸盐水泥、贝利特硫铝酸钡钙水泥、 硫铝酸盐水泥、环氧树脂为基体制备1 3 型正交异性水泥基压电复合材料，研究 不同的基体对复合材料性能的影响。 ( 5 ) 以p z t - 5 1 为功能体，普通硅酸盐水泥为基体，制备出不同水灰比的1 3 型正交异性水泥基压电复合材料，研究不同的水灰比对复合材料性能的影响。 ( 6 ) 将制备出的1 3 正交异性水泥基压电复合材料制备成传感元件，研究其 在声发射激励下的响应情况，并与压电陶瓷和普通的1 3 型水泥基压电复合材料 进行对比，为其实际应用提供理论基础。 ( 7 ) 利用1 3 型正交异性水泥基压电传感元件研究混凝土结构中声发射信 号的衰减情况，并研究尺寸效应对传感元件实际应用中的接收灵敏度与正交异性 特性的影响。 7 1 3 犁正交异性水泥基压电复合材料的制备与件能研究 第二章1 3 型正交异胜水泥基压电复合材料的机理研究 2 11 - 3 型水泥基压电复合材料的复合原理 1 3 型水泥基压电复合材料集中了各相材料的优点，降低了复合材料的横向 机电耦合作用，具有低声阻抗、高机电耦合系数和低机械品质因数等优点，是非 常具有应用前途的一种智能材料【“拍】。 1 3 型水泥基压电复合材料是由一维联通的压电陶瓷柱平行地排列于三维连 通的水泥基体材料中构成的压电复合材料【6 7 1 。1 3 型压电复合材料的结构示意图 如图2 1 所示，其中上下两个表面为电极面，所以其电场方向与压电陶瓷柱的方 向平行。根据复合材料内部压电陶瓷柱的极化方向的不同，可以将其分为两种类 型：一种利用横向伸缩压电效应；一种是利用厚度剪切压电效应。目前研究与应 用较多的利用横向伸缩效应的1 3 型水泥基压电复合材料，对利用厚度剪切压电 效应的1 3 型水泥基压电复合材料研究较少。 r o d s i r i x 图2 11 3 型压电复合材料的示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cm a po f1 3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e r o d s r r i x 根据压电方程和各材料相的性能参数方程，可以将普通的1 3 型水泥基压电 复合材料的本构关系矩阵表示为【5 7 】： 济南大学硕上学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍量鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼i 皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼寰曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼鼍量曼 一 s j - s y 一 z y1 i z - 7 “ 一 7 砂 d l d 2 d 3 式( 2 1 ) 由于压电陶瓷柱的极化方向平行于z 轴，即如= 幽，如= = ( o = 西j ，由复合材 料的本构关系可知，当e = o 时，肛西3 0 z + d 3 1 a x + 西2 a y ，因此在x y 平面内若t 7 1 = f 7 2 ， 则在受到激励的状态下复合材料将同等灵敏度的接收两个方向的应力波，所产生 的信号无法分辨是x 方向还是y 方向，这说明极化方向平行于z 方向的1 3 型水泥 基压电复合材料表现为压电面内各向同性的特点。 2 21 - 3 型正交异性水泥基压电复合材料的复合原理 2 2 1 卜3 型正交异性水泥基压电复合材料的结构 通过普通1 3 型水泥基压电复合材料的复合原理我们发现若改变压电陶瓷柱 在复合材料中的排列方式，使其极化方向平行于x 方向，则会改变复合材料在平 面内所利用的压电常数【4 6 】。 1 3 型正交异性水泥基压电复合材料的压电陶瓷柱的极化方向与普通1 3 型 压电复合材料不同，其结构和分布与交叉指型电极压电材料类似【6 8 】。 十+ 图2 2 交叉指型电极结构示意图 f i g 2 2s