【摘 要】
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建筑结构在使用期间存在的疲劳效应和荷载长期作用,以及建筑材料的侵蚀与老化,将导致材料强度的降低并加速结构的破坏,因此建筑需要及时的预警和实时的健康监测。结构监测与检测及状态评估强烈依赖于传感器和换能器的性能。压电材料因其独特的力-电耦合性能,已成为结构健康监测与检测中最为常用的一类功能原材料。压电材料具有脆性及产生信号的发散等问题,压电复合材料由于结合了压电晶体良好的压电性能和聚合物的柔性而被广泛
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“弛豫铁电体中基于共存相的精细弹性畴调控机理及性能研究”
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建筑结构在使用期间存在的疲劳效应和荷载长期作用,以及建筑材料的侵蚀与老化,将导致材料强度的降低并加速结构的破坏,因此建筑需要及时的预警和实时的健康监测。结构监测与检测及状态评估强烈依赖于传感器和换能器的性能。压电材料因其独特的力-电耦合性能,已成为结构健康监测与检测中最为常用的一类功能原材料。压电材料具有脆性及产生信号的发散等问题,压电复合材料由于结合了压电晶体良好的压电性能和聚合物的柔性而被广泛应用。具有不同连通性的压电复合材料应用范围也不相同,其中1-3型压电复合材料制备简单,被广泛用于换能器、传感器中。本文通过总结1-3型压电复合材料的研究现状及工程使用中的问题,提出基于压电复合材料界面应力的微结构设计方法,通过压电复合材料的优化设计,提高器件疲劳特性。本文的研究内容及获得的结论主要分为以下几方面:（1）探索界面应力对压电复合材料性能的影响,研究不同软填充聚合物及极化条件对常规压电陶瓷PZT(PbZr1-xTixO3,锆钛酸铅)基压电复合材料的介电及压电性能的影响,获得填充聚合物的优化选配方案及极化条件。研究结果表明,软填充聚合物以及高温极化条件对压电复合材料介电及压电性能的提高是比较显著的。（2）研究极化温度、切割制备工艺以及压电复合材料设计尺寸等对压电单晶PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,铌镁酸铅-钛酸铅)基压电复合材料介电、压电性能的影响,提出极化温度和制备工艺的改进与尺寸方案的优化。研究结果表明,将高温95℃极化条件结合先极化再切割的制备顺序以及减小切缝尺寸,可以实现简化制备工艺与高介电及压电性能的双赢。（3）研究压电复合材料两相界面弹性相互作用,获得压电复合材料中压电体的应力状态及其对压电畴结构的影响,并采用COMSOL有限元模拟软件对压电复合材料内两相之间的应力进行分析。研究结果表明,树脂内的正应力和应力分量σxy是其产生极性的原因,这与偏光研究结果一致。另外压电柱尺寸减小导致界面应力的增大,这与实验结果一致。（4）研究压电复合材料的抗疲劳性能,通过对单晶和压电复合材料进行疲劳测试,探究两者的铁电性能随循环次数的变化趋势以及微结构方面的疲劳机理。研究结果表明,压电复合材料具有远优于单晶的抗疲劳性能。另一方面,提出从微裂纹和相变的角度分析晶体的疲劳机理,从电击穿和畴结构的角度分析裂纹的扩展与传播机理。结果表明,微裂纹的扩展趋势与性能下降规律一致。
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