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1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究的开题报告开题报告题目：1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究一、选题的背景和意义水泥基材料是一种常见的建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性，但其电学性能较差，限制了其在电子、通讯等领域的应用。
由于压电复合材料具有良好的电学性能和力学性能，因此将水泥基材料和压电材料复合起来，可制成具有压电性能的水泥基压电复合材料。
目前，已有一些研究报道了水泥基压电复合材料的制备与性能，但大多数研究集中于水泥基陶瓷材料与压电陶瓷材料的复合，缺乏对水泥基压电复合材料的深入研究。
因此，本课题旨在研究制备1-3型水泥基压电复合材料及其性能，为其在新能源、传感器等领域的应用提供基础研究。
二、研究的内容和步骤1. 制备1-3型水泥基压电复合材料将压电陶瓷离子热堆叠成棒状，并将其嵌入水泥基材料中，形成棒阵列。
制备过程中需控制压电陶瓷的分布密度和排列方式，以保证复合材料的力学性能和压电性能。
2. 测试复合材料的压电性能在复合材料上施加电场，观察其应变响应。
通过测量复合材料的压电系数、电容和电阻等参数，评价其压电性能。
3. 测试复合材料的力学性能和耐久性对复合材料进行拉伸、压缩和弯曲等力学性能测试，评价其力学性能；同时进行耐久性测试，观察其稳定性和使用寿命。
4. 研究复合材料的应用前景探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。
三、拟采用的研究方法和手段1. 材料制备：采用压电陶瓷离子热堆叠法，将压电陶瓷制成棒状，并嵌入水泥基材料中，形成1-3型压电复合材料。
2. 性能测试：采用电学测试、力学测试和耐久性测试等方法，评价复合材料的性能。
3. 应用研究：通过实验验证和理论分析，探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。
四、研究的预期目标和成果1. 成功制备出具有压电性能的1-3型水泥基压电复合材料。
2. 系统地研究复合材料的压电性能、力学性能和耐久性能，并进行性能与结构之间的关联分析。
压电材料的参数及压电方程一、压电方程对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce或e=sτ式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，又称弹性柔顺常数，表示材料的应力与应变之间的关系并且s=1/c上述关系式的物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正比。
2、压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD或D=εE，式中ε为电容率，又称介电常数（单位：法/米），它反映材料的介电性质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有关，即电容C=εA/t，式中A为两极板相对面积，t为两极间距离或者说是压电晶片的厚度，因而与压电体的电阻抗有关。
介电常数ε常用相对介电常数εr表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：εr=C介/C真空=ε介/ε真空（ε真空=8.85x10-2法/米）β为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，并且β=1/ε，不过这个系数一般较少使用。
上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处于电场E中时，电介质内部的电场可以用电位移D表示。
3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。
对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换（当然这并不确实，而仅仅是在简化分析时略去这两方面）。
因此，一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。
把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。
压电材料概述班级：稀土10-1姓名：***学号：**********指导老师：***时间：2012-11-30压电材料概述摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。
关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。
主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器，医学成像等。
1、压电材料与压电效应1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。
这一现象被称为压电效应。
随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。
压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。
反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。
下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。
在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。
但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。
如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。
1-1-3型压电复合材料宽带换能器蓝宇;张凯【摘要】The matching layer is commonly used to expand the bandwidth of 1 - 3 piezocomposite transducers. But as time passes, the performance of matching layers will change, this change may cause performance instability of the transducer. By applying the concept of single-ended excitation to 1 -3 piezocomposite material, a new piezocomposite structure, that is 1-1-3 piezocomposite material, was achieved. The finite element model of a 1-1-3 piezocomposite transducer was set up with ANSYS software and the structure of the transducer was optimized. A final 1 -1-3 piezocomposite transducer was designed which used the first, second, and third thickness modes. The bandwidth of the transducer was 112-450kHz, in which the peak transmitting voltage response was 174dB. Several conclusions can be reached from the research: The bandwidth of piezocomposite transducers can be expanded by the first, second, and third thickness modes. Also, a method was given to achieve the broad-band projection performance of a high-frequency transducer.%1-3型压电复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法,但匹配层的特性会随着时间的变化而变化,这会造成换能器性能的不稳定.将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料,提出了一种新的压电复合材料结构,即1-1-3型压电复合材料.应用ANSYS软件建立1-1-3型压电复合材料换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了一个利用一阶、二阶和三阶厚度振动模态的1-1-3型压电复合材料宽带换能器,其工作带宽为112 kHz～450 kHz,发送电压响应最大值为174 dB.研究结果表明:利用1-1-3型压电复合材料的一阶、二阶和三阶厚度振动模态可以拓展压电复合材料换能器的带宽,同时也给出了一种高频换能器实现宽带发射的方法.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2011(032)011【总页数】5页(P1479-1483)【关键词】1-1-3型压电复合材料换能器;单端激励;宽带;有限元法【作者】蓝宇;张凯【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;杭州应用声学研究所,浙江杭州310012【正文语种】中文【中图分类】TB5651-3型压电复合材料换能器具有很多优点［1］:其重量轻、易于共形、声阻抗率低、利用其制作的换能器的有效机电耦合系数高、接近于压电陶瓷相的k33.20世纪70年代末，美国宾州州立大学的Newnham教授首先提出了1-3型压电复合材料的概念［2］，在此基础上人们对其做了广泛的研究［3］.同时人们对1-3型压电复合材料在水声换能器上的应用也做了很多研究工作.美国的Thomas R.Howarth 制作了尺寸为254 mm×254 mm×6.35 mm的大面积1-3型压电复合材料换能器［4］.美国水下作战中心的Kim C.Benjamin利用1-3型压电复合材料制作了直径为76 cm的参量阵，名为USRD-82［5］.英国的S.Cochran等人在1-3型单晶压电复合材料前加匹配层制作了带宽超过一个倍频程的水声换能器［6］.土耳其的I.Ceren Elmash在1-3型压电复合材料前加匹配层制作了宽带、宽波束的水声换能器，该换能器可以应用于水声通信领域［7］.韩国的Zhi Tian等人利用在1-3型压电复合材料圆管外表面加匹配层制作了宽带圆管换能器［8］.本文将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料中，在此基础上提出了一种1-1-3型压电复合材料结构，并且利用有限元方法，运用大型有限元软件ANSYS分析了1-1-3压电复合材料的频率特性和阻抗特性，利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合设计并制作了带宽为2个倍频程的1-1-3型压电复合材料宽带换能器.从而也解决了高频换能器(频率大于100 kHz)实现宽带发射的难点.1 1-1-3型压电复合材料的概念1-1-3型压电复合材料是由一维连通的压电小柱和一维连通的金属小柱平行排列于三维连通的聚合物基体中而构成的三相压电复合材料，压电小柱的极化方向与压电小柱高度方向相同.常用的压电小柱材料有PZT4、PZT5和弛豫铁电单晶等;常用的金属小柱材料有钢、铝和铜等;常用的聚合物材料有环氧树脂、聚氨酯和聚亚胺酯等.1-1-3型压电复合材料的示意图如图1所示.图1 1-1-3型压电复合材料示意Fig.1 Schematic representation of 1-1-3 piezocomposite material2 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作原理在两端自由的条件下，压电小柱纵向振动的基频公式为式中:c为压电小柱纵向振动的声速，l为压电小柱的长度.压电小柱高阶纵向振动模态频率的公式为通常，压电换能器的压电陶瓷堆之间是并联连接的，如图2所示，如果将其分为左右2个部分，其振动是同相的，也就是同时扩张或收缩，因此称图2(a)所示的激励方式为左右同相激励.由于同相激励只能激励出位移对称的奇数阶纵向振动模态，无法激励出偶数阶模态.因此，在第2阶纵向振动模态的谐振频率处端面的位移很小，发送电压响应曲线上出现了一个很深的凹谷，如图3(a)曲线1所示.为了激励出第2阶纵向振动模态，须采用如图2(b)所示左右反相激励，其发送电压响应曲线如图3曲线2所示.如果，将2种激励叠加在一起，如图2(c)所示，其效果与图2(d)相同，相当于单端激励，此时，前三阶纵向振动模态全部被激励出来，发送电压响应如图 3(b)所示，比较平坦［9］.图2(d)也可以代表1-1-3型压电复合材料的复合小柱，其左端为压电陶瓷小柱，右端为金属小柱，也相当于单端激励，其发送电压响应与图3(b)类似，有效地拓宽了压电复合材料换能器的带宽.图2 压电陶瓷堆的不同激励方式Fig.2 Different excitations of piezoelectric ceramic stack图3 不同激励方式下的发送电压响应Fig.3 The transmitting voltage response under different excitations3 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的有限元分析3.1 有限元分析的理论基础利用ANSYS建立的整个1-1-3型压电复合材料换能器有限元模型的运算时间会很长，由于1-1-3型压电复合材料具有二维周期性的特点，因此可以通过分析1-1-3型压电复合材料中的一个周期的性能来分析1-1-3型压电复合材料换能器的性能.在1-1-3型压电复合材料换能器中，除了边缘处的周期单元，其他单元的负载基本相同，此时只需分析其中的一个周期单元.这样可以认为单个周期单元处于一刚性壁波导中的一端，而在波导的另一端施加边界条件.然后，可以利用ANSYS软件计算出波导水柱中的声压.最后可以利用波导中的声压得出1-1-3型压电复合材料换能器的远场声压.而波导中的波可视为声压为pp和质点振速为pp/ρc的平面波.假设所有周期法向振速相同，ρc负载相同，那么由功率守恒原理可得，1-1-3型压电复合材料换能器的总辐射功率为所有周期辐射功率之和:式中:N为周期数，A为单个周期面积.由指向因素的概念可知，上述功率与远场声强的关系为式中:距离1-1-3型压电复合材料换能器声轴方向r处的远场声压为p.由于平面活塞辐射器的指向性因素［10］为从而可得pp(ANSYS计算的值)与p(1-1-3型压电复合材料换能器轴向远场声压)的关系为由于1-1-3型压电复合材料换能器的边缘周期声负载比中间周期的小，式(6)只是一个近似解.因此解的精确性依赖于边缘周期的数量.3.2 有限元模型的建立在分析时只建立一个周期(一个周期包含一根压电陶瓷小柱、一根金属小柱及其周围的环氧树脂)的有限元模型，在边界上施加一定边界条件来模拟整个1-1-3型压电复合材料换能器.利用ANSYS软件来建模，压电小柱为PZT4，金属小柱为黄铜，聚合物相为环氧树脂，复合材料圆片的厚度为12 mm，周期数为204个.最终制作的换能器辐射面灌注环氧树脂胶层.为节省计算时间，只建立了一周期的1/4有限元模型，流体域为一刚性壁波导，如图4所示.图4 1-1-3型压电复合材料宽带换能器一个周期的1/4有限元模型Fig.4 Theone-fourth finite element model for a unite cell of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer3.3 模态分析通过对1-1-3型压电复合材料一个周期的有限元模型进行模态分析，可得到1-1-3型压电复合材料的厚度共振频率和模态振型.图5为1-1-3型压电复合材料一个周期的振动位移矢量图，其一阶厚度振动位移矢量图如图5(a)所示，模态频率为138 kHz;二阶厚度振动位移矢量图如图5(b)所示，模态频率为280 kHz;三阶厚度度振动位移矢量图如图5(c)所示，模态频率为454 kHz.图5 1-1-3型压电复合材料的厚度共振模态Fig.5 The thickness model of the1-1-3 piezocomposite material3.4 谐波响应分析利用ANSYS软件提供的谐波响应分析模块，计算出换能器在水中的导纳曲线，如图6所示.图6 1-1-3型压电复合材料宽带换能器在水中的导纳曲线Fig.6 The admittanceof the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer in water从图6可知:1-1-3型压电复合材料宽带换能器在水中的电导最大值为4.5 m，该处谐振频率为280 kHz.利用ANSYS软件提供的流固耦合分析功能，提取刚性壁波导中一个节点上的声压，再由式(6)得出整个1-1-3型压电复合材料宽带换能器的远场声压，根据发送电压响应的定义计算换能器水中的发送电压响应曲线，如图7所示.图7 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的发送电压响应曲线Fig.7 The transmitting voltage response of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer从图7可知:1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作带宽为125～490 kHz，发送电压响应最大值为171 dB.4 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的试验分析按照设计尺寸制作了1-1-3型压电复合材料宽带换能器，如图8所示，图的左侧为1-1-3型压电复合材料，右侧为1-1-3型压电复合材料宽带换能器.图8 1-1-3型压电复合材料宽带换能器示意Fig.8 Schematic representation of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer利用HP4194阻抗分析仪测量了换能器在空气中和水中的频率特性和阻抗特性，如图9所示.图9 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的测试导纳Fig.9 The measured admittance of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer图9(a)为1-1-3型压电复合材料的导纳图，其一阶厚度谐振频率为127 kHz，电导峰值为4.1 mS;其二阶厚度谐振频率为 285 kHz，电导峰值为16.5 mS;其三阶厚度谐振频率为414 kHz，电导峰值为2.3 mS.图9(b)为1-1-3型压电复合材料宽带换能器水中的导纳图，其一阶厚度谐振频率为125kHz，电导峰值为1.7 mS;其二阶厚度谐振频率为292 kHz，电导峰值为9.1 mS;其三阶厚度谐振频率为 416 kHz，电导峰值为 1.6 mS.在水池利用脉冲法测量s了换能器的发送电压响应，其结果如图10所示.由图可知测得的1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作带宽为112～450 kHz，发送电压响应峰值为174 dB.图10 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的测试发送电压响应曲线Fig.10 The measured transmitting voltage response of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer对比测试结果与计算结果，可以看出，无论是导纳曲线还是发送电压响应曲线，计算与测试的趋势基本一致，但还存在一定的误差.这是因为:1)制作的1-1-3型压电复合材料的结构尺寸存在误差，这就使得实测的频率特性与计算的频率特性有一定的差异;2)利用3.1节的有限元算法存在误差导致实测的发送电压响应与计算的发送电压响应有一定的差异.5 结束语本文基于单端激励的思想，提出了一种新的压电复合材料结构，即1-1-3型压电复合材料，并且利用其制作了一个工作带宽为112～450 kHz，发送电压响应最大值为174 dB的高频宽带水声换能器.上述工作表明利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合可以制作高频宽带水声换能器，同时也给出了一种高频换能器实现宽带发射的方法.参考文献:【相关文献】［1］李邓化，居伟骏，贾美娟，等.新型压电复合材料换能器及其应用［M］.北京:科学出版社，2007:6-7.［2］NEWNHAM R E，SKINNER D P，CROSS L E.Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites［J］.Mat Res Bull，1978，13(5):525-536.［3］TRESSLER J F，ALKOY S，DOGAN A.Functional composites for sensors，actuators，and transducers［J］.Composites，1999，Part A 30:477-482.［4］HOWARTH T R，TING R Y.Electroacoustic evaluations of 1-3 piezocompositesonopanel materials［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelec Freq Contr，2000，47(4):886-894. ［5］BENJAMIN K C，PETRIE S.The design，fabrication，and measured acoustic performance of a 1-3 piezoelectric composite navy calibration standard transducer［J］.J Acoust Soc Am，2001，109(5):1973-1978.［6］COCHRAN S，PARKER M，FRANCH P M.Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound［C］//Ultrasonics Symposium，2005 IEEE.［s.l.］，2005:231-234.［7］ELMASH I C，KOYMEN H.A wideband and a wide-beamwidth 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第二章复合材料的复合效应第一节复合效应概述复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。
耦合：不同性质材料之间的相互作用。
→复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能）。
从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。
拟解决的问题：寻找材料复合的一般规律。
研究增强机理。
一、材料的复合效应线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。
非线性效应：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。
复合效应是复合材料的研究对象和重要内容，也是开拓新型复合材料、特别是功能型复合材料的基础理论问题。
非线性效应尚未被充分认识和利用，有待于研究和开发。
1、平均效应：P c=P m V m+P f V f（P：材料性能；V：材料体积含量；c：复合材料；m：基体；f：增强体或功能体）应用：力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性；热传导、电导等物理常数。
例：复合材料的弹性模量：E c=E m V m+E f V f（混合定律）2、相补效应：性能互补→提高综合性能。
例：脆性高强度纤维与韧性基体复合，适宜的结合形成复合材料。
→性能显示为增强体与基体互补。
3、相乘效应：X/Y·Y/Z=X/Z（X、Y、Z：物理性能）两种具有转换效应的材料复合→发生相乘效应→设计功能复合材料。
例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。
压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。
对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。
最大输出已达103V·A。
单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。
4、共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，产生机械的、电的、磁的共振。
应用：改变复合材料某一部位的结构→复合材料固有频率的改变→避免材料工作时引起的破坏。
吸波材料：调整复合材料的固有频率，吸收外来波。
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