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纤维排列结构对压电纤维复合材料性能影响开题报告

 2020-02-10 11:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

上世纪70年代,压电晶体材料(压电单晶和压电陶瓷)迅速发展,由于其具有较好的压电效应,因此被学者们应用于传感器、驱动器、智能监测和能量采集等方面[1-3]。但是,在实际应用中压电晶体材料由于其固有的脆性和较差的柔韧性,在成型和粘接过程中极易发生断裂,因此研究人员开始尝试将具有高柔韧性的聚合物引入压电材料,通过复合的方式制备成压电复合材料[4]。由这种按照一定连通方式[5]制备的复合材料不仅具有一定的压电特性,而且在柔韧性上延续了聚合物的特征,大大提升了在实际应用中的可设计性。在种类繁多的压电复合材料中,一维结构压电陶瓷纤维复合材料(piezoelectric fiber composite,pfcs)[6],由于其不仅具有压电材料的高压电性和聚合物的高柔韧性等优点,而且单向性能突出,可加工性强,成为当前压电复合材料研究的热点。目前应用最广泛的压电纤维复合材料主要包括活性压电纤维复合材料(active fiber composite,afc)[7]、粗纤维复合材料(macro fiber composite,mfc)[8]等。

美国麻省理工学院(mit)活性材料与结构研究室bent等[9]人最早通过挤出成型法制备了活性压电纤维复合材料(afc),这种压电纤维复合材料是将截面为圆形的陶瓷纤维和环氧树脂相互填充制成。2001年,美国航天局(nasa)的兰利研究中心[10]对afc结构中因圆形横截面的压电纤维和叉指电极的接触面积小,导致驱动性能下降,使得 afc 的机电转换效率降低[11]的问题,对制备方法进行改进和优化,改用流延法制备纤维素胚,然后将素胚烧结成陶瓷薄片,再采用切割-填充法[12]制备压电复合结构:通过切割机将陶瓷薄片切成矩形纤维阵列的结构,用环氧树脂填充阵列空隙而形成压电纤维层,最后通过叉指电极进行封装得到粗压电纤维复合材料,结构示意图如图1[13]所示。mfc 的压电纤维横截面变为矩形,与afc相对比,在很大程度上增加其与电极材料的接触面积,进而改善了极化效果以及驱动效果,其应变性能超出afc高达约150%[14],有效的提升了机电转换效率和驱动性能。同时,mfc通过制备工艺控制可以有效降低叉指电极与压电陶瓷纤维之间聚合物的厚度,可以避免压电陶瓷纤维内部的有效电场大幅下降的问题[6]。mfc中压电陶瓷纤维的极化方向与叉指电极产生电场极化方向一致且均匀,使得 mfc具有较高的应变输出。但随着研究的深入,研究者发现afc和mfc在极化过程中,由于叉指电极结构原因,会存在某些区域无法产生极化电场,同时,环氧树脂等聚合物基体的特性也造成叉指电极的电场输出衰减,这两种原因极大的影响了压电纤维复合材料的驱动性能和极化效率[6]


图1 粗压电纤维复合材料(mfc)结构示意图

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

压电纤维复合材料的制备:切割-填充法制备压电纤维复合材料,改变纤维厚度、纤维与电极间间距、纤维宽度以及电极宽度、电极间距获得不同样品。

压电纤维复合材料的性能表征:采用X射线衍射分析(XRD)、拉曼光谱分析(Raman)、热重分析(TGA)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等对其进行物相与结构测试表征。

使用铁电测试仪、阻抗分析仪等设备测试材料的电学性能;使用铁电测试仪结合光纤位移传感器测量压电陶瓷纤维在外加电场作用下的轴向位移曲线,以此表征材料的应变性能。

2.2 研究目标

1、切割-填充法制备压电纤维复合材料,研究纤维的排列、形状、尺寸等参数对MFC整体性能的影响

2、掌握叉指电极的排列、形状、尺寸等参数对MFC整体性能的影响。

2.3 技术方案

1、试剂与仪器:

试剂:PZT压电陶瓷粉末、聚乙烯醇(分子量1750±50)等

仪器:

编号

设备名称

参数

1

电子天枰

量程120g 精密度:0.0001g

2

箱式电炉

控温精度:±3℃

3

数显式压力试验机

负载范围:0~2000kN

4

真空干燥箱

真空度<133Pa 恒温波动:±1℃

5

行星式球磨机

转速:0~600rpm

6

真空炼泥机

真空度:0.085~0.095MPa

7

金刚石直线切割机

转速:0~3000rpm 切割精度:0.01mm

8

集热式恒温加热磁力搅拌器

控温精度:±1℃

9

叉指电极

不同尺寸

10

铁电测试仪


11

光纤位移传感器


12

冷等静压机

2、实验方案:

(i) 将购置的压电陶瓷粉末与聚乙烯醇水溶液(5%PVA溶液)按照每1g粉末1滴溶液,进行混合搅拌,放入干净的袋子陈腐24h,获得压电陶瓷粉料。

(ii) 将粉料放入压力试验机的模具中,将粉料压成圆柱形,保压20min以上。将样品进行抽真空处理,放入冷等静压机中压制成型,得到圆柱形压电陶瓷胚体。

(iii) 用金刚石切割机对制备的压电陶瓷切割,填充聚合物,完成压电陶瓷纤维复合材料的制备,接入叉指电极,在3kV电压下完成极化。用铁点测试仪和光纤位移传感器测试所得压电陶瓷纤维复合材料的电性能和应变性能。

(iv) 改变金刚石切割机的程序设置,改变切割深度、长度以及宽度等参数,改变叉指电极宽度和间距等参数,制备纤维排列不同的压电陶瓷纤维复合材料,测试性能,对结果数据进行分析总结。

3、结构表征与性能分析:

通过XRD、SEM等表征手段对压电陶瓷材料的物相,断面结构进行分析。利用铁电测试仪和光纤位移传感器测试压电陶瓷纤维复合材料的电性能和应变性能,并对不同纤维排列结构的压电陶瓷纤维复合材料的性能进行比较,寻找提升压电陶瓷纤维复合材料的性能的最优方案。

3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-9周:按照设计方案,制备出不同尺寸、不同纤维间距、不同纤维排列角度样品。

第10-12周:对制备出的样品进行形貌、力学和电性能表征,分析纤维排列结构对压电纤维复合材料性能的影响规律。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] lin x, zhou k, zhang x, et al. development,modeling and application of piezoelectric fiber composites[j]. transactions ofnonferrous metals society of china, 2013, 23(1): 98-107.

[2] lee b y, zhang j x, zueger c, et al. virus-based piezoelectric energy generation[j]. nat nanotechnol, 2012, 7: 351-356.

[3] 贾菲. 压电陶瓷[m]. 北京: 科学出版社, 1979. 1~8.

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