交叉指形电极压电纤维复合材料的优化设计 被引量：14

1

作者 刘卫民 陈勇 +1 位作者 刘永刚 沈星 《机械工程材料》 CAS CSCD 北大核心 2006年第2期29-31,50,共4页

交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明:采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提... 交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明:采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提高压电片的驱动应变;聚合物相的介电常数对驱动应变影响最大,采用高介电常数的聚合物相可以使其驱动应变明显提高。 展开更多

关键词 交叉指形电极压电纤维复合材料 驱动应变 压电相

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交叉指形电极压电纤维复合材料静电场优化

2

作者 刘永刚 沈星 +1 位作者 赵东标 裘进浩 《机械工程材料》 CAS CSCD 北大核心 2007年第8期38-41,共4页

采用有限元法分析了外电压作用于交叉指形电极(IDE)压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和动作性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸及其IDE分支电极宽度和电极中心距对压电纤维复合材料静电场的影响... 采用有限元法分析了外电压作用于交叉指形电极(IDE)压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和动作性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸及其IDE分支电极宽度和电极中心距对压电纤维复合材料静电场的影响。结果表明:增加电极区聚合物的导电性或减小电极区聚合物的厚度,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,同时,元件横向应变可以提高108倍,横向应力可以提高43倍;IDE参数对电场的均匀区域大小和电场强度大小影响比较大。 展开更多

关键词 静电场 有限元法 压电纤维复合材料 交叉指形电极

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压电纤维复合材料对悬臂结构的作动行为研究 被引量：2

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作者 张博 谢华珂 +1 位作者 丁虎 陈立群 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1439-1447,共9页

压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)是由美国NASA研发的综合性能优秀的新型压电材料,掌握MFC的力学行为有利于将其投入结构变形控制、减振降噪和健康监测等领域.目前对MFC宏观力学行为的研究中缺乏对作动力与驱动电压直接关... 压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)是由美国NASA研发的综合性能优秀的新型压电材料,掌握MFC的力学行为有利于将其投入结构变形控制、减振降噪和健康监测等领域.目前对MFC宏观力学行为的研究中缺乏对作动力与驱动电压直接关系的研究,现有的以MFC为作动器的应用中所使用力电关系的精度有限,不利于将MFC投入更精密的使用场景.针对此问题,文章采用经典板理论,考虑了MFC与受控结构的相对尺寸,推导了MFC对悬臂结构的作动力方程.为兼顾计算的准确性和便利性,建立了考虑MFC叉指电极真实电场的精细有限元模型开展压电静力仿真,给出将MFC叉指电极的弯曲电场简化为匀强电场的修正系数.搭建MFC-悬臂梁结构的实验装置,对有限元模型和作动力公式加以验证.精细模型与简化模型的仿真结果与实验进行对比,总体误差较小,验证了模型和修正系数的可靠性.理论计算与仿真结果对比,误差在1%以内,表明所得作动力预测公式在较大的宽度比范围内均具有较好精度.建立的MFC作动力模型对MFC应用于悬臂结构的变形控制和振动抑制有一定指导意义. 展开更多

关键词 压电纤维复合材料 作动方程 叉指电极 压电静力实验

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叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化 被引量：4

4

作者 赵国旗 韩伟 骆英 《陶瓷学报》 CAS 北大核心 2013年第4期467-472,共6页

叉指式压电纤维复合材料(Interdigitated Electrodes Piezoelectric Fiber Composites,IDEPFC)利用纤维形的压电相和叉指形电极相互作用,提高了复合材料的韧性,因其特有的压电正交异性驱动性能,在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。... 叉指式压电纤维复合材料(Interdigitated Electrodes Piezoelectric Fiber Composites,IDEPFC)利用纤维形的压电相和叉指形电极相互作用,提高了复合材料的韧性,因其特有的压电正交异性驱动性能,在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。基于COMSOL Multiphysics仿真计算平台,采用有限元分析方法,计算了1-3型压电陶瓷纤维复合材料中关键的叉指式电极(IDE)几何尺寸与压电陶瓷纤维基体的度之间的关系对IDEPFC驱动性能的影响规律,分析了压电陶瓷纤维直径、分支电极宽度与电极间隙对叉指式压电纤维复合材料驱动应变的变化影响趋势。结果表明:当电极宽度等于基体厚度的一半时,可得到最优的正交异性驱动性能;采用直径越小的压电陶瓷纤维,从而减少基体厚度,有助于提高IDEPFC的驱动灵敏度;减小电极间隙可以降低驱动电压,当电极间隙与基体厚度的比值大于4时,可以获得最大的驱动应变。研究成果为叉指式压电纤维复合材料的优化设计提供了理论指导。 展开更多

关键词 有限元分析 1-3型压电纤维复合材料 叉指式电极 性能

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1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型及其力电宏观参数研究 被引量：10

5

作者 赵寿根 程伟 《应用力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第3期335-341,共7页

基于均匀场理论和细观力学方法提出了弹簧串并联模型和电容串并联模型来分别描述1-3型压电纤维复合材料的力学性能和电学性能,并采用此模型对压电复合材料的宏观力学和电学性能参数进行了预报。在沿着纤维方向,采用并联模型来描述1-3型... 基于均匀场理论和细观力学方法提出了弹簧串并联模型和电容串并联模型来分别描述1-3型压电纤维复合材料的力学性能和电学性能,并采用此模型对压电复合材料的宏观力学和电学性能参数进行了预报。在沿着纤维方向,采用并联模型来描述1-3型压电纤维复合材料的力学和电学特性,因为在这个方向上压电纤维和基体连续并联分布;在垂直纤维方向,模型既含有串联部分又含有并联部分,从而对整体而言形成了混合串并联模型。算例结果相互比较表明该模型对1-3型压电纤维复合材料有准确的描述。 展开更多

关键词 1-3型 压电纤维复合材料(PFC) 串并联模型 力学性能参数 电学性能参数

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1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响 被引量：2

6

作者 李允 沈星 王宁 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第12期89-92,99,共5页

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持... 采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电板结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低。 展开更多

关键词 1-3型压电纤维复合材料 驱动性能 有限元方法 自由应变

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1-3型压电复合材料及其研究进展 被引量：35

7

作者 赵寿根 程伟 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2002年第1期57-68,共12页

１－３型压电智能复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电复合材料．简述了１－３型压电智能复合材料形成及其材料结构构成变化的发展历程，并从理论分析、参数辨识、数值计算和试验方法四方面阐述... １－３型压电智能复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电复合材料．简述了１－３型压电智能复合材料形成及其材料结构构成变化的发展历程，并从理论分析、参数辨识、数值计算和试验方法四方面阐述了宏观等效特征参数的研究状况．在此基础上对现有的制备工艺技术的优缺点进行了比较，对声学、医学、控制、航空航天等已应用和可能应用的领域的现状和发展趋势进行了回顾和展望，最后建议了１－３型压电智能复合材料今后几个较为重要的研究方向． 展开更多

关键词 压电智能结构 1-3型压电复合材料 电极压电纤维复合材料 结构传感器 智能材料 夹杂理论 叉型电极压电纤维复合材料

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压电纤维复合材料的研究 被引量：8

8

作者 刘永刚 沈星 +1 位作者 赵东标 裘进浩 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2007年第5期18-21,33,共5页

以提高交叉指形电极压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力为目的,采用有限元软件ANSYS分析了电极区聚合物参数、交叉指型电极结构和压电相体积分数对压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力的影响。结果表明:增加电极区聚合物的介电常数或... 以提高交叉指形电极压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力为目的,采用有限元软件ANSYS分析了电极区聚合物参数、交叉指型电极结构和压电相体积分数对压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力的影响。结果表明:增加电极区聚合物的介电常数或减小电极区聚合物的厚度,能够提高元件的诱导应变和挟持应力,元件诱导应变最大可达173με;减小分支电极的周期或者适当增大分支电极的宽度,可以有效地提高元件的作动性能;提高压电纤维体积分数,有利于提高元件的作动性能。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料 有限元 交叉指形电极 聚合物 体积分数

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压电纤维复合材料的静电场分析 被引量：5

9

作者 刘永刚 沈星 +1 位作者 赵东标 裘进浩 《人工晶体学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第3期596-600,共5页

采用有限元法分析了外电压作用于压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和作动性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸,及其IDE宽度和周期对压电纤维复合材料静电场的影响,研究结果表明:增加电极区聚合物... 采用有限元法分析了外电压作用于压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和作动性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸,及其IDE宽度和周期对压电纤维复合材料静电场的影响,研究结果表明:增加电极区聚合物的导电性,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,最大可以提高54倍;减小电极区聚合物的厚度,同样可以显著提高静电场,最大可以提高55倍。IDE参数对电场的均匀性区域大小和电场强度大小影响也比较大。 展开更多

关键词 静电场 有限元法 压电纤维复合材料 交叉指形电极 介电常数

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压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析 被引量：6

10

作者 王红艳 谢涛 王志彬 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2010年第3期46-49,共4页

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构... 研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大。d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大。而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大。相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料 交叉指电极 悬臂梁 俘能器

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切割-填充法制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器 被引量：4

11

作者 温凯 裘进浩 +1 位作者 季宏丽 朱孔军 《材料工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第1期72-76,共5页

采用切割-填充法制备了一种粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器,该驱动器由叉指电极电路板、环氧树脂黏结层和粗压电陶瓷纤维复合材料层三部分组成。理论计算了粗压电陶瓷纤维复合材料的压电性能,并采用TF Analyzer 2000铁电分析仪和基于LabV... 采用切割-填充法制备了一种粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器,该驱动器由叉指电极电路板、环氧树脂黏结层和粗压电陶瓷纤维复合材料层三部分组成。理论计算了粗压电陶瓷纤维复合材料的压电性能,并采用TF Analyzer 2000铁电分析仪和基于LabVIEW的动态应变采集系统测试了该驱动器的P-E回线和应变性能。结果表明:粗压电陶瓷纤维复合材料的理论压电常数d33和剩余极化强度Pr分别为634pC·N-1和31.4μC·cm-2。且在±1,000V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生纵向和横向应变分别为30με和20με,即纵向和横向伸缩分别可达0.63μm和0.34μm。 展开更多

关键词 压电陶瓷驱动器 切割-填充法 压电陶瓷纤维 叉指电极 压电复合材料

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压电纤维复合材料有限元模拟及其试验研究 被引量：4

12

作者 黄丹丹 陈勇 《压电与声光》 CAS 北大核心 2019年第2期234-240,共7页

考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自... 考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自由应变和阻滞力的数值测试,数值上验证了有限元模型,修正纤维纵向压电应变常数d_(33)。对含有MFC驱动器的铝合金悬臂梁进行数值和试验研究,验证了该模型的准确性。与细观尺度上的MFC有限元模型相比,该有限元模型节约了计算成本,可应用于实际工程中。结果表明,MFC激励法用于振动特性分析时,操作简单,重复性好,信噪比高。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料(MFC)驱动器 指间交叉电极 有限元建模 模态分析 静位移

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排列–浇铸法制备柔性压电纤维复合驱动器 被引量：5

13

作者 李世成 朱孔军 +1 位作者 裘进浩 庞旭明 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第3期331-335,共5页

设计了该压电纤维复合驱动器的结构,包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列–浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷的电学性能及力学性能,理论推导了压电纤维复合材料的压电性... 设计了该压电纤维复合驱动器的结构,包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列–浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷的电学性能及力学性能,理论推导了压电纤维复合材料的压电性能,并采用基于LabVIEW的动态应变系统测试了驱动器的应变性能。结果表明,PZN-PZT陶瓷的压电常数d33为520 pC/N,居里温度Tc为320℃,弹性柔顺系数s33为20.5×10–12m2/N。压电纤维复合材料的理论压电常数d33为509 pC/N,d31为–156 pC/N。在300 V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生100με的纵向应变和58με的横向应变,即纵横向伸缩分别可达3.6和1.7μm,说明该驱动器具有较高的机电性能。 展开更多

关键词 压电陶瓷纤维 压电复合 压电陶瓷驱动器 排列浇铸法 叉指电极

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IDEs1-3型压电纤维传感元件的性能研究与仿真

14

作者 姜秀新 骆英 +1 位作者 朱步银 张礼华 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2009年第11期7-10,共4页

分析了叉指形电极(IDEs)1-3型压电纤维复合材料传感元件的结构特点和电场特性,构建了压电纤维传感元件的本构方程,并建立了IDEs1-3型压电纤维传感元件的有限元模型,探索了IDEs关键尺寸和压电纤维直径及间隔对传感元件传感性能的影响。... 分析了叉指形电极(IDEs)1-3型压电纤维复合材料传感元件的结构特点和电场特性,构建了压电纤维传感元件的本构方程,并建立了IDEs1-3型压电纤维传感元件的有限元模型,探索了IDEs关键尺寸和压电纤维直径及间隔对传感元件传感性能的影响。结果表明:该传感元件X向产生的电位移大小约为Y向产生电位移大小的3倍,正交异性更加明显,能清楚区分不同方向的应力波;选择合适的纤维间隔,减小电极中心距、电极面宽度和纤维直径能有效的改善传感元件的传感性能。 展开更多

关键词 叉指形电极 压电纤维传感元件 传感性能 正交异性 有限元

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压电材料在振动控制领域的研究进展与应用现状 被引量：13

15

作者 姚晓成 赵程 曾涛 《机械工程材料》 CAS CSCD 北大核心 2019年第6期72-76,共5页

结合振动主动控制和被动控制原理,综述了应用于振动控制领域的单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料、0-3型压电复合材料等4种压电智能材料,重点介绍了其结构特点、制备工艺,以及在机械制造、航空航天和船舶航运等领域减... 结合振动主动控制和被动控制原理,综述了应用于振动控制领域的单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料、0-3型压电复合材料等4种压电智能材料,重点介绍了其结构特点、制备工艺,以及在机械制造、航空航天和船舶航运等领域减振应用的研究进展,指出了压电材料的未来研究方向。 展开更多

关键词 压电陶瓷 多层叠堆 压电纤维 0-3型压电复合材料 振动控制

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1-3型OPFC传感元件的制备工艺与实验研究

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作者 张礼华 骆英 +1 位作者 晏翔 吴爱军 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2009年第6期839-841,861,共4页

该文在分析压电纤维复合材料(PFC)自身特点和制作工艺的基础上,建立了正交异性压电纤维复合材料(OPFC)传感元件的理论模型,采用改进的排列-浇注法制作了不同尺寸的OPFC传感元件,并就其正交异性、灵敏度等驱动性能进行仿真与实验测试,提... 该文在分析压电纤维复合材料(PFC)自身特点和制作工艺的基础上,建立了正交异性压电纤维复合材料(OPFC)传感元件的理论模型,采用改进的排列-浇注法制作了不同尺寸的OPFC传感元件,并就其正交异性、灵敏度等驱动性能进行仿真与实验测试,提出了相应的改进措施。其实验结果为OPFC的进一步研究与应用奠定了良好的基础。 展开更多

关键词 正交异性压电纤维复合材料 叉指型电极 制备工艺 性能

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