功能梯度压电悬臂梁的弯曲问题毕业论文

《功能梯度压电悬臂梁的弯曲问题毕业论文》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、毕业论文1绪论1.1功能梯度材料（FGM）简介复合材料已在工程中得到广泛应用，然而传统的复合材料，由于由两种或以上的不同均匀材料结合在一起而存在明显的界面，因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处不匹配，从而使得界面容易成为失效的源泉，界面设计也就成为复合材料设计的重要课题。另一方面随着现代科学技术的进步，超音速航天飞机、超音速民用交通、现代航天飞行器以及下一代电力系统装置都对材料的设计与应用提出了新的要求[1]。例如航天飞机的发展就面临许多技术问题，特别在先进隔热材料方面，通常使用的陶瓷复合材料弥散强化陶瓷，已经无法承受由

2、于航天飞行环境中极端的温度梯度引起的高热应力。为了解决这类问题，日本材料学家新野正之(MasyuhiNINO)、平井敏雄(ToshioHIRA)和渡边龙三(RyuzoWATANBE)等在20世纪80年代中后期提出了功能梯度材料的概念。此概念提出后，引起世界各国的广泛兴趣和关注，日本已将其列入日本科学厅资助的重点研究项目，德国、法国、俄罗斯等欧洲发达国家相继开展FGM的研究工作；1993年美国国家标准技术研究所开始开发以超高温耐热氧化保护涂层为目标的大型功能梯度材料的研究项目；同时，中国政府也把FGM的研究列入国家高新技术的“863

3、”计划。随着FGM的研究和发展，其应用不再局限于宇航工业，已扩展到核能源、电子材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等领域。功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间的组成和结构连续呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料[2]。也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料。功能梯度材料示意图见图a。由于

4、功能梯度材料的这种特点，因此它能有效地克服传统复合材料的不足，与传统复合材料相比功能梯度材料有如下优势:1)将功能梯度材料用作界面层来连接不相容的两种，可以大大地提高粘结强度；2)将功能梯度材料用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；3)将功能梯度材料用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性；第35页共35页毕业论文4)用功能梯度材料代替传统的均匀材料涂层。既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。图a功能梯度材料示意图1.1.1功能梯度材料的组成特点从材料的组成方式看，功能梯度材料可分为金属/陶瓷

5、、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属和非金属/塑料等多种结合方式。从组成变化看，功能梯度材料可分为:功能梯度整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料)，功能梯度涂覆型(在基体材料上形成组成渐变的涂层)和功能梯度连接型(粘结两个基体间的接缝呈梯度变化)。因在制备过程中，选取了两种或几种不同性质的材料，连续地控制材料的微观组成、结构和空隙形态与结合方式，使界面的成分和组织呈连续性变化，因而材料内部热应力得以大大缓和，如图b所示，对高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料。在金属与陶瓷中间的梯度过渡层

6、里，其耐热性能、机械性能等呈连续变化，热应力在材料两端均很小，使其成为可在高温环境下应用的新型耐热材料[7]。第35页共35页毕业论文图b金属、陶瓷构成的材料特性1.1.2FGM发展前景功能梯度材料自产生以来，得到了长足的发展。以材料设计为核心，开发各种尺寸、形状复杂的FGM，进一步拓展其应用领域。随着组元设计多样化的发展，组元成分的选择也更加合理，梯度材料的设计也将向着多组元设计、更为经济和更为实用的制备方向不断发展[9]。制备方法也将进一步得以丰富。从设计上分析，随着非均质材料的组成结构性能体系的深入研究，以及连续介质理论，量

7、子理论及微观结构模型的不断完善，将建立起比较完备的FGM数据系统。人们从具体要求出发，假设不同的组分及其分布，在合适的物理、化学模型构建下，进行优化设计，最终获得满足具体要求的最佳材料组合及空间梯度分布。1.2压电材料简介1.2.1压电效应压电(piezoelectric)现象最早由JacquesCurie和PierreCurie兄弟于1880年发现。压电材料在一定温度环境中被电场极化后，材料中的晶体以电场极化方向的晶粒为主，但部分晶粒仍然偏离电场极化方向，从而存在剩余极化强度，并以偶极矩的形式表现出来。第35页共35页毕业论文当

8、对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度将因材料的变形而发生变化，引起材料内部正负电荷中心发生相对移动产生电极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比，这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电