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1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的制备与性能研究

作　者: 谢士会
导　师: 程新
学　校: 济南大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 1-3型正交异性压电复合材料压电性能正交异性声发射
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水泥基压电复合材料具有良好的压电性能，并且与混凝土结构的声阻抗相匹配，得到了人们的广泛关注。但是由于单一压电陶瓷具有横观各向同性，使得切割-浇注法制备得到的普通水泥基压电复合材料具有各向同性的特点，在平面内等灵敏度地接收不同方向的应力波，不能够对应力波的方向进行有效辨别。本文以PZT-5压电陶瓷为压电相，聚合物/水泥为基体，采用切割-浇注和排列-浇注相结合的方法制备了1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料，测试研究了压电性能和正交异性特性。结果表明，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数远远大于压电陶瓷和1-3型压电复合材料的压电应变常数。压电陶瓷和1-3型压电复合材料在正交方向上接收到的信号保持一致，表现同性；而1-3型正交异性压电复合材料在正交方向上接收到的信号幅值明显不同，大约为2倍的关系，表现明显的正交异性。讨论了基体配合比、压电陶瓷体积分数、压电相长宽比、柱高、电极宽度以及电极数目对1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的性能影响，结果表明，随着基体中水泥质量分数的增加，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数逐渐增大，并且不同基体配合比的压电复合材料均表现出正交异性；随着压电陶瓷体积分数的增加，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数逐渐增大，并且不同压电陶瓷体积分数的压电复合材料均表现出明显的正交异性；随着压电相长宽比的增大，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数逐渐增大，当长宽比大于2时，压电复合材料表现出明显的正交异性；随着压电陶瓷柱高的增加，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数变化不大，但是不同柱高的压电复合材料均表现出明显的正交异性；随着电极宽度的增加，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数逐渐减小，不同电极宽度的压电复合材料均表现出正交异性；随着电极数目的增加，1-3型正交异性压电复合材料的压电应变常数逐渐增大，当电极数目大于2时，压电复合材料表现明显的正交异性。研究了1-3型正交异性压电复合材料的平面信号响应以及信号衰减，结果表明，随着测试角度的增加，压电陶瓷和1-3型压电复合材料在平面内接收到的信号幅值和信号电压值保持不变，等灵敏度地接收平面内的信号，显示各向同性；1-3型正交异性压电复合材料在平面内接收到的信幅值和信号电压值均呈现“余弦”曲线的趋势，显示各向异性。随着测试距离的增加，1-3型正交异性压电复合材料在平面内接收到的信号幅值和信号电压值逐渐减小，减小的趋势以指数函数的形式逐渐变缓；1-3型正交异性压电复合材料可测试的最远距离为1200mm；1-3型正交异性压电复合材料在混凝土试块上的接收到的信号幅值比瓷砖和铝板上的小，这是由于混凝土试块的表面比较粗糙，结构更为复杂。以1-3型正交异性压电复合材料为压电元件，采用环氧树脂、水泥和钨粉的混合物作为匹配层，环氧树脂和水泥的混合物作为背衬层，以银浆为屏蔽材料进行屏蔽处理，制备得到正交异性压电传感器，并对其性能进行了研究。结果表明，正交异性压电传感器具有明显的正交异性，较高的灵敏度和较宽的带宽。利用正交异性压电传感器对混凝土试块进行了线定位和面定位研究，结果显示正交异性压电传感器的线定位和面定位的结果比较准确。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景  13
  1.2 压电材料  13-14
    1.2.1 压电陶瓷  13-14
    1.2.2 压电复合材料  14
  1.3 水泥基压电复合材料  14-16
    1.3.1 国外研究进展  14-15
    1.3.2 国内研究进展  15-16
  1.4 正交异性压电复合材料  16-19
    1.4.1 国外研究进展  16-17
    1.4.2 国内研究现状  17-19
  1.5 声发射技术  19-20
    1.5.1 国外研究进展  19-20
    1.5.2 国内研究进展  20
  1.6 本文主要研究内容  20-23
第二章 1-3 型正交异性压电复合材料的制备及其性能测试  23-33
  2.1 仪器设备  23
  2.2 实验材料  23-24
  2.3 1-3 型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的制备  24-25
  2.4 1-3 型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的微观结构  25-26
  2.5 1-3 型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的性能测试  26-27
    2.5.1 压电性能的测试  26
    2.5.2 正交异性的测试  26-27
  2.6 1-3 型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的性能研究  27-30
    2.6.1 压电性能的研究  27-28
    2.6.2 正交异性的研究  28-30
  2.7 本章小结  30-33
第三章 1-3 型正交异性压电复合材料的影响因素  33-47
  3.1 基体配合比对正交异性压电复合材料的性能影响  33-35
    3.1.1 试样制备  33-34
    3.1.2 基体配合比对压电性能的影响  34
    3.1.3 基体配合比对正交异性的影响  34-35
  3.2 压电陶瓷体积分数对正交异性压电复合材料的性能影响  35-37
    3.2.1 试样制备  35-36
    3.2.2 压电陶瓷体积分数对压电性能的影响  36-37
    3.2.3 压电陶瓷体积分数对正交异性的影响  37
  3.3 压电相长宽比对正交异性压电复合材料的性能影响  37-39
    3.3.1 试样制备  37-38
    3.3.2 压电相长宽比对压电性能的影响  38-39
    3.3.3 压电相长宽比对正交异性的影响  39
  3.4 柱高对正交异性压电复合材料的性能影响  39-41
    3.4.1 试样制备  39-40
    3.4.2 柱高对压电性能的影响  40-41
    3.4.3 柱高对正交异性的影响  41
  3.5 电极宽度对正交异性压电复合材料的性能影响  41-43
    3.5.1 试样制备  41-42
    3.5.2 电极宽度对压电性能的影响  42-43
    3.5.3 电极宽度对正交异性的影响  43
  3.6 电极数目对正交异性压电复合材料的性能影响  43-45
    3.6.1 试样制备  43-44
    3.6.2 电极数目对压电性能的影响  44-45
    3.6.3 电极数目对正交异性的影响  45
  3.7 本章小结  45-47
第四章 1-3 型正交异性压电复合材料的声发射信号响应  47-59
  4.1 实验材料  47-48
    4.1.1 1-3 型正交异性压电复合材料的选择  47
    4.1.2 被测件的准备  47-48
  4.2 声发射检测参数设置  48-50
    4.2.1 门槛设置  48
    4.2.2 时间参数设置  48-50
  4.3 正交异性压电复合材料的平面信号响应情况  50-54
    4.3.1 不同角度的信号响应  50-52
    4.3.2 不同距离的信号响应  52-54
  4.4 正交异性压电复合材料的信号衰减  54-56
    4.4.1 平面内信号衰减  54-55
    4.4.2 可测范围  55-56
  4.5 被测件对信号的影响  56-58
  4.6 本章小结  58-59
第五章正交异性压电传感器的初步研究  59-73
  5.1 仪器设备  59
  5.2 实验材料  59
  5.3 正交异性压电传感器的制备  59-62
    5.3.1 压电元件的制备  60
    5.3.2 匹配层的制备  60-61
    5.3.3 背衬层的制备  61-62
    5.3.4 屏蔽处理  62
  5.4 正交异性压电传感器的性能研究  62-66
    5.4.1 正交异性压电传感器的正交异性  63-64
    5.4.2 正交异性压电传感器的灵敏度  64-65
    5.4.3 正交异性压电传感器的带宽  65-66
  5.5 正交异性压电传感器的定位研究  66-72
    5.5.1 定位研究的理论基础  66
    5.5.2 定位参数设置  66-67
    5.5.3 正交异性压电传感器的线定位  67-69
    5.5.4 正交异性压电传感器的面定位  69-72
  5.6 本章小结  72-73
第六章结论与展望  73-77
  6.1 结论  73-74
  6.2 展望  74-77
参考文献  77-85
致谢  85-87
附录  87-88

1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的制备与性能研究

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