正交异性压电复合材料功能元件的研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要(‘由于压电复合材料力、电特性的可设计性，能够克服单一压电材料脆性易断的缺点，因此，它在智能材料结构中可同时用作传感器和驱动器，具有比单一压电材料更广泛的应用前景，例如它可在诸如空间结构振动控制，工程结构内部损伤自诊断、安全监测和微小变形的精密控制等方面将有着广泛的应用前景。本文在原有压电复合材料的基础上提出了正交异性压电复合材料的概念，压电复合材料元件的正交异性压电性，使得它能够在元件片的纵、横两方向呈现出明显的力、电特性差异√本文应用复合材料理论，研制出具有明显正交异性压电特性及力学特性的压电复合材料，成功地制作了正交异性的传感元

2、件和驱动元件。本文的主要研究内容和成果分为以下三个方面：一、正交异性压电复合材料的理论研究，f提出了正交异性压电复合材料构造原理，运用压电材料的电偶极矩矢量投影理论，系统地阐述和解释了压电效应，从而建立了完整的表征压电材料力、电特性参数及相互关系和正交异性压电复合材料的力、电耦合方程。在此基础上，从理论上研究了影响正交异性压电复合材料元件力、电特性的主要因素，推导出应用正交异性压电复合材料传感元件测量正交异性材料构件表面应变和构件内部应力的传感方程。，o二正交异性压电复合材料元件的设计和研制．1根据提出的正交异性压电复合材料的构造原理，进行了设计方法的研究，独创地设

3、计了交叉式电极和正负电极绝缘区的结构形式，成功研制了1—3型正交异性压电复合材料应变传感元件和卜l型正交异性压电复合材料驱动元件。厂>、三实验研究．研究、设计和制造了评估正交异性压电复合材料力、电特性的方法及测定动、静态力、电特性参数的装置，并进行了实验研究。f实验结果表明，正交异性压电复合材料元件具有明显的压电正交异性特性，能够测试分解出应变分量，对应力波的反映有明显的方向性；而单一压电陶瓷材料压电正交异性特性不明显J7首次应用正交异性压电复合材料传感元件进行了平面应力状态下的正交异性材料板表面应变测试的实验研究，还对悬臂梁进行了弯曲驱动和扭转驱动实验研究。(实验

4、结果表明，正交异性压电复合材料驱动元件的驱动功效比压电陶瓷驱动元件的驱动力要强，显示出压电正交异性驱动元件的优越性。r，关键词：智能材料结构正交异性压电复合材料应变测量传感元件驱动元件力电特性ABSTRACTPiezoelectriccompositematerialscanbeutilizedassensorsandactuatorsinsmartmaterialstructures，sincetheypossestheabilitytotailortheirmechanicalandelectricaIPropertiesperrequiredbydesignt

5、hematerialsandavoidthedisadvantageofeasybrittleness．Throughdesignprocesses．bettermechanicalandelectricalcharacteristicsthanpiezo—ceramicmaterialscanbeobtained．Therefore，piezoelectriccompositematerialscouldbewidelyappliedtocontrolthevibrationinlarge—scalespatialstructures，self-diagnosis

6、ofthedamagesanddefectsinsideengineeringstructures，safetymonitoringandprecisioncontrolofmicrodeformation．Inthisdissertation，theideaoftheorthogonalpiezoelectriccompositematerialsisproposedbasedontheoriginalpiezoelectriccompositematerials．Thepiezoelectriccompositematerialswithremarkableor

7、thogonalpropertiesofpiezOeIectricityandmechanicalpropertiesarestudiedbyutilizingthetheoryofcompositematerials．Thepiezoelectriccompositematerialsensingelementsandactuatorswithorthotropicpropertiesaresuccessfullymanufactured．Themainresearchtopicsofthisdissertationarefollowingthreecateg