华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
FRP筋混凝土连续梁力学性能试验研究摘要：随着科学技术的不断发展，FRP筋的运用越来越广泛。
因此，对于FRP筋的力学性能研究就显得格外重要。
本文从FRP筋的制作方法、抗拉强度、弹性模量、延伸率等力学性能试验方法,对FRP筋拉伸试验结果进行了统计分析,给出了用于FRP筋混凝土结构设计的力学性能指标,提出了混杂纤维FRP筋设计思路。
关键词：FRP筋力学性能试验Abstract: along with the development of science and technology, the use of FRP muscle more and more widely. So, for the mechanical properties of the steel FRP research is especially important. This paper, from the reinforcement method of making FRP, tensile strength and elastic modulus, elongation of mechanics performance testing method, the FRP muscle tension test results of statistical analysis was given in reinforced concrete structure design of FRP, the mechanical performance index of the proposed hybrid fiber reinforced FRP design.Keywords: FRP muscle mechanical test在钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀一直都是在学术界研究的一个重要课题，不管是再海洋、道路建设中，还是在化工及盐害地的建设中，钢筋的锈蚀问题一直都是一个非常严重的问题，这种钢筋的锈蚀导致建筑结构的丧失应有的承载能力，使其的使用寿命大大降低。
ETFE薄膜双向力学性能试验研究崔家春;吴明儿;杨联萍【摘要】利用圆形气泡试验研究ETFE薄膜双向受力性能,得到了完整的真实应力-应变曲线和基本力学性能参数.结果表明:当真实应力为17～18 MPa时,ETFE薄膜的真实应力-应变曲线出现第1个转折点,与单轴拉伸试验结果相同;当真实应力约为50 MPa时,该曲线趋于平缓;当真实应力约为60 MPa时,由于局部破损导致ETFE薄膜球冠失效;在双向拉伸下,ETFE薄膜破裂时的真实应变为30％～40％,远小于单轴拉伸试验结果.基于试验结果提出了1种四折线本构模型,并通过数值模拟验证其适用性.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2016(019)005【总页数】5页(P866-870)【关键词】ETFE薄膜;双向力学性能;屈服应力;应力-应变模型【作者】崔家春;吴明儿;杨联萍【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092;上海现代建筑设计集团,上海200041;同济大学建筑工程系,上海200092;同济大学建筑工程系,上海200092;上海现代建筑设计集团,上海200041【正文语种】中文【中图分类】TQ325.4;TU502+.6ETFE薄膜作为一种新型材料，在过去20年间被越来越多地应用于建筑结构，特别是对防腐、防潮以及外观效果具有特殊要求的建筑，如英国的伊甸园、德国慕尼黑安联体育场、中国国家游泳中心及黑瞎子岛植物园等.建筑用ETFE薄膜厚度一般为0.10～0.25mm，当应力超过第2屈服点以后，会发生较大的塑性变形，破断延伸率可达到350%以上[1-5].ETFE薄膜在建筑结构中的应用形式较多，对于单跨以及长宽比较大的条形布置，其表现出单向受力特点；对于圆形、六边形、三角形布置，其处于双向受力状态.国内外对ETFE薄膜进行了较多的单轴拉伸试验研究，并建立了建筑结构用ETFE薄膜的基本力学模型[1-5].由于缺乏ETFE薄膜单轴应力-应变关系如何适用于双向受力情况的研究，因此对其进行双轴拉伸试验或双向受力模拟试验具有理论和工程应用价值.对于传统的建筑涂层织物类薄膜，通常采用十字形切缝试样在双轴拉伸试验机上测试双向受力性能参数，具体的操作方法见文献[6].Galliot等[5,7]利用这种方法对ETFE薄膜的双向受力性能进行了试验研究，结果表明，该方法仅能得到工程应变小于7%的试验结果.由于十字形切缝试样中央核心区承受双向应力，悬臂段承受单向应力，导致悬臂段应变大于核心区应变，当悬臂段的应变大于第2屈服点并达到应力-应变曲线的水平线段时，悬臂段会经历一个应力增幅较小而应变增幅较大的过程，而在这个过程中，核心区的应变几乎不变，最终在悬臂段的根部发生断裂，因此，该试验方法无法得到ETFE薄膜双向拉伸的完整应力-应变曲线.本文采用圆形气泡充气方法，利用气泡顶部薄膜在充气过程中承受均匀双向拉伸的特点，研究ETFE薄膜双向受力下的应力-应变关系，并与单轴拉伸试验结果进行比较，以期为工程设计提供理论支撑.1.1 试验基本原理圆形气泡充气模拟ETFE薄膜双向受力试验的基本原理是：通过充气加压使圆形ETFE薄膜由平面状态开始变形，形成一系列的球冠状，再根据每个时刻球冠的半径R，顶点高度h，内部气压p来计算其顶点的应力和应变[5].球冠顶点ETFE薄膜的真实应力为：式中：σx，σy为球冠顶点ETFE薄膜x，y方向的真实应力；tp为球冠顶点ETFE 薄膜的厚度.假定ETFE薄膜为不可压缩材料，则在球冠顶点的应变有如下关系：tp可由下式计算[5,8]：式中： t0为ETFE薄膜的初始厚度；a为变形前圆形ETFE薄膜的半径.在球冠顶点，ETFE薄膜的真实应变为：利用激光位移计记录充气过程中每个时刻球冠顶点ETFE薄膜的位移，采用压力传感器测量每个时刻球冠中的气压，再由式(1)，(4)计算球冠顶点ETFE薄膜的真实应力、应变.1.2 试验模型ETFE薄膜圆形气泡充气试验模型如图1所示.钢支架圆盘直径为1300mm，上置圆环，其内径为 1000mm，外径为1300mm.将有效直径为1000mm的圆形ETFE薄膜置于圆盘与圆环之间，并通过36个M10螺栓固定.在圆盘圆心处开φ10mm圆孔，用于连接充气设备.在距离圆心200mm处开M20×1.5螺纹孔，用于连接压力传感器，以便在充气过程中实时测量球冠中的气压p.试验温度为25℃.正式加载前，先预加约0.1kPa的气压，使圆形ETFE薄膜略微张紧.采用连续加载方式，直至试验结束.重复试验3个试样.球冠高度测点分布见图2.按文献[1]方法测得的应力、应变为工程应力(σnom)、应变(εnom).σnom，εnom 与真实应力(σtr ue)、应变(εtrue)的关系为[8]：2.1 试验结果在圆形气泡充气试验中，球冠顶点(测点1)的高度-气压(h-p)曲线见图3，其他测点的高度-气压(H-p)曲线见图4.由图4可见，测点2～5的H-p曲线基本吻合，ETFE薄膜在充气过程中对称变形.2.2 应力与应变分析根据试验数据，由式(1)，(4)计算得到球冠顶点ETFE薄膜的真实应力-应变曲线，如图5所示.由图5可见，在双向拉伸下，当真实应力为17～18MPa 时，ETFE薄膜的真实应力-应变曲线出现了第1个转折点，与单轴拉伸试验结果相同，当真实应力约为50MPa时该曲线趋于平缓，当真实应力约为60MPa时，由于ETFE薄膜局部破损导致球冠失效.与单轴拉伸试验结果相比，双向拉伸下ETFE薄膜破裂时的真实应变很小，仅为30%～40%.为了与单轴拉伸试验结果进行对比，根据von Mises应力准则将计算得到的真实应力、应变转换为等效真实应力(σeq)、应变(εeq)，即：式中：ν为ETFE薄膜的泊松比，根据文献[1]取0.42.由式(1)，(2)，(4)，则有：图6为ETFE薄膜的等效真实应力-应变曲线，其中双向十字切缝试样试验数据来自文献[7].由图6可见，当真实应力小于单轴拉伸的第2屈服应力时，3条应力-应变曲线基本一致，表明采用等效真实应力应变时，由单轴拉伸试验可以得到与双向拉伸试验及圆形气泡充气试验相同的真实应力-应变曲线.当真实应力大于第2屈服应力时，单轴拉伸真实应力-应变曲线进入第2屈服阶段，而圆形气泡充气试验中的等效真实应力-应变曲线并未出现屈服现象，曲线继续上升直至等效真实应力约为第2屈服应力的2倍时才出现软化，并在较小的应力增量后达到破断强度.在第2屈服点以后，单轴拉伸与双向拉伸等效真实应力-应变曲线出现差异，其原因有待进一步研究.2.3 有限元分析采用ANSYS V12.1软件对试验模型进行了有限元分析.选用三角形SHELL181单元模拟ETFE薄膜，并关闭面外刚度属性.计算中考虑了几何刚度和大变形的影响，有限元单元网格划分见图7.将圆形气泡充气试验得到的ETFE薄膜真实应力-应变曲线简化为四折线本构模型，结果见图8，其中第1个特征点应力为17.01MPa，应变为2.29%；第2个特征点应力为50.32MPa，应变为33.42%；第3个特征点应力为62.77MPa，应变为69.8%.在圆形气泡试验中，当真实应力超过62.77MPa时，ETFE薄膜达到极限抗拉强度，因此设定：真实应力超过62.77MPa时，其本构曲线为水平线段.当球冠气压为30kPa时，由四折线本构模型计算得到的ETFE薄膜竖向变形见图9.由图9可见，当球冠气压为30kPa时，ETFE薄膜中点的应力和竖向变形最大，分别为52.90MPa，278.51mm.图10为球冠顶点高度-气压对比曲线.由图10可见，当气压为3.94kPa时，ETFE薄膜的应力接近单轴拉伸的第1屈服应力，此时基于四折线ETFE薄膜本构模型计算的球冠顶点高度为 68.92mm，相对其试验测量值，误差为4.43%；当气压为20.0kPa 时，ETFE薄膜的应力接近单轴拉伸的第2屈服应力，此时基于四折线ETFE薄膜本构模型计算的球冠顶点高度为201.04mm，相对其试验测量值，误差为-13.94%；当气压为27.7kPa时，ETFE薄膜的应力接近破断强度，此时基于气泡本构模型计算的膜面中心点位移为255.615mm，相对试验测量值，误差为5.97%.这表明四折线ETFE薄膜本构模型计算结果与试验值吻合较好，该模型可用于应力大于单轴拉伸第2屈服应力时球冠状ETFE薄膜的受力分析.3 结论(1)采用圆形气泡充气试验可得到完整的ETFE薄膜双向拉伸真实应力-应变曲线，弥补了十字形切缝试样双轴拉伸试验方法的不足.(2)在双向拉伸下，当真实应力为17～18MPa时，ETFE薄膜的真实应力-应变曲线出现了第1个转折点，与单轴拉伸试验结果相同；当真实应力约为50MPa时，其真实应力-应变曲线趋于平缓；当真实应力约为 60MPa 时，由于 ETFE 薄膜局部破损导致ETFE薄膜球冠失效.与单轴拉伸相比，在双向拉伸下ETFE薄膜破裂时的真实应变很小，仅为30%～40%.(3)当等效真实应力小于单轴拉伸的第2屈服应力时，由单轴拉伸、十字形切缝试样双向拉伸以及圆形气泡充气试验得到的3条等效真实应力-应变曲线基本一致.当等效真实应力大于单轴拉伸的第2屈服应力时，单轴拉伸真实应力-应变曲线进入第2屈服阶段，而由圆形气泡充气试验得到的双向拉伸等效真实应力-应变曲线并未出现屈服现象，曲线继续上升直至等效真实应力约为第2屈服应力的2倍时才出现软化，并在较小的应力增量后达到破断强度.(4)依据圆形气泡充气试验结果，提出了四折线ETFE薄膜本构模型，其计算结果与试验值吻合较好，该模型可用于ETFE薄膜的受力分析.Experimental Study on Biaxial Mechanical Properties of ETFE FilmCUI Jiachun1,2, WU Minger1, YANG Lianping1,2(1.Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.Shanghai Xiandai Architectural Design Group, Shanghai 200041, China)Abstract：Circular bubble experiments were carried out to study the biaxial tensile mechanical property of ETFE film. A full stress-strain curve was investigated and basic mechanical parameters of ETFE film were obtained. The results show that true stress-strain curve reaches first turning point when true stress is about 17-18MPa which is same as that obtained byuniaxial tensile test, the curve tends to leveling off when true stress is about 50MPa, and then reaches the maximum value when true stress is about 60MPa because of breaking of bubbles. The true strain obtained by bubble test is 30%-40%, which is much less than that of uniaxial tensile test. Based on the test results, a four polygonal line model is put forward and its applicability is verified by numerical simulation analysis.Key words：ETFE film; biaxial tensile property; yield stress; stress-strain model收稿日期：2015-06-26；修订日期：2015-07-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478333)第一作者：崔家春(1982—)，男，安徽阜阳人，同济大学博士生.E-mail：***************通信作者：吴明儿(1965—)，男，浙江萧山人，同济大学教授，博士生导师，博士.E-mail：*******************.cn文章编号：1007-9629(2016)05-0866-05中图分类号：TQ325.4；TU502+.6文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1007-9629.2016.05.014(1)采用圆形气泡充气试验可得到完整的ETFE薄膜双向拉伸真实应力-应变曲线，弥补了十字形切缝试样双轴拉伸试验方法的不足.(2)在双向拉伸下，当真实应力为17～18MPa时，ETFE薄膜的真实应力-应变曲线出现了第1个转折点，与单轴拉伸试验结果相同；当真实应力约为50MPa时，其真实应力-应变曲线趋于平缓；当真实应力约为 60MPa 时，由于 ETFE 薄膜局部破损导致ETFE薄膜球冠失效.与单轴拉伸相比，在双向拉伸下ETFE薄膜破裂时的真实应变很小，仅为30%～40%.(3)当等效真实应力小于单轴拉伸的第2屈服应力时，由单轴拉伸、十字形切缝试样双向拉伸以及圆形气泡充气试验得到的3条等效真实应力-应变曲线基本一致.当等效真实应力大于单轴拉伸的第2屈服应力时，单轴拉伸真实应力-应变曲线进入第2屈服阶段，而由圆形气泡充气试验得到的双向拉伸等效真实应力-应变曲线并未出现屈服现象，曲线继续上升直至等效真实应力约为第2屈服应力的2倍时才出现软化，并在较小的应力增量后达到破断强度.(4)依据圆形气泡充气试验结果，提出了四折线ETFE薄膜本构模型，其计算结果与试验值吻合较好，该模型可用于ETFE薄膜的受力分析.【相关文献】[1] 吴明儿,刘建明,慕仝,等.ETFE薄膜单向拉伸性能[J].建筑材料学报,2008,11(2)： 241-247.WU Minger,LIU Jianming,MU Tong,et al.Uniaxial tensile properties of ETFE foils[J].Journalof Building Materials,2008,11(2)： 241-247.(in Chinese)[2] 吴明儿,慕仝,刘建明.拉伸速度对ETFE薄膜力学性能的影响[J].建筑材料学报,2008,11(5)： 574-579.WU Minger,MU Tong,LIU Jianming.Influence of extension speed on mechanical properties of ETFE foil[J].Journal of Building Materials,2008,11(5)： 574-579. (in Chinese)[3] 崔家春,杨联萍,吴明儿.ETFE薄膜低温单向拉伸性能[J].建筑材料学报,2013,16(4)： 725-729. CUI Jiachun,YANG Lianping,WU Minger. Uniaxial tensile properties of ETFE film at low-temperature condition[J].Journal of Building Materials,2013,16(4)： 725-729.(in Chinese) [4] LEE S J,LEE S R,LEE C H.Tensile strength tests on ETFE film for roof materials in large membrane structures[C]∥Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures(IASS) Symposium.Shanghai： China Architecture & Building Press,2010：2229-2239.[5] GALLIOT C,LUCHSINGER R H.Uniaxial and biaxial mechanical properties of ETFEfoils[J].Polymer Testing,2011,30(4)： 356-365.[6] DG/TJ08-2019-2007 膜结构检测技术规程[S].DG/TJ08-2019-2007 Technical specification for inspection of membrane structures[S].(in Chinese)[7] 赏莹莹.双轴拉伸下ETFE薄膜材料力学性能研究[D].上海：同济大学,2014.SHANG Yingying.Study on biaxial tensile mechanical properties of ETFE foils[D].Shanghai：Tongji University,2014.(in Chinese)[8] CALLISTER W D,RETHWISCH D G.Fundamentals of materials science and engineering：An integrated approach[M].4th ed.Manhattan： John Wiley & Sons,Inc,2012： 219-220.。
