压电复合材料性能参数预测

论文摘要

压电材料是一种能够实现机械能与电能之间相互转换的机敏材料。由它制成的传感器、滤波器、延迟器和致动器等关键的功能元件已经在电子技术、医疗设备和机械工程等现代工业的各个不同领域中得到了广泛的应用。按照压电相和非压电相在复合材科中的分布状态,压电复合材料可以分为十种基本类型,即0—0,0—1,0—2,0—3,1—1,1—2,1—3,2—2,2—3,3—3。在充分学习了压电学理论及熟练掌握有限元分析软件ANSYS的基础上,提取周期性压电复合材料中代表性体积单元,对0—3,1—3,2—3,3—3四种连通类型的压电复合材料进行模拟分析。使用APDL语言编写脚本程序,通过对9种不同工况的模拟,提取模拟结果数据,利用压电材料本构方程、材料力学及电磁学知识预测压电复合材料性能参数：刚度矩阵[c]、压电应力矩阵[e]以及相对介电矩阵[k]。并在此基础上分析连通类型、压电相体积分数、压电相空间尺寸及聚合物基体性能(杨氏模量、泊松比及介电常数)对压电复合材料弹性常数、压电常数及介电常数的影响。经过模拟分析,提高具有高压电性能组元的含量,可有效提高复合材料的压电性能。在相同压电相体积分数情况下,连通类型对于压电复合材料各性能参数有显著影响。减小不同组元的介电常数和钢度系数之间的差异,减小0—3型压电复合材料的颗粒粒度,增加1—3型压电复合材料纵横比,可以提高复合材料压电性能。通过本文所作分析以期望能对压电复合材料的设计、制造提供参考,节约制造成本、降低生产周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 压电材料发展及研究现状
• 1.1.1 压电材料的诞生与发展
• 1.1.2 压电材料的分类与应用
• 1.1.3 压电复合材料的发展与研究概况
• 1.2 压电效应机理简介
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 1.3.1 本文研究内容
• 1.3.2 本文研究意义
• 第二章 理论基础
• 2.1 压电材料本构理论
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电效应的机理
• 2.1.3 边界条件与本构方程
• 2.1.4 压电材料主要参数及其相互关系
• 2.1.5 压电元件主要性能参数
• 2.2 有限元方法介绍
• 2.3 ANSYS介绍
• 2.3.1 ANSYS软件耦合场分析介绍
• 2.3.2 APDL语言介绍
• 2.3.3 压电单元介绍
• 第三章 压电材料性能参数预测
• 3.1 前处理
• 3.1.1 定义材料参数
• 3.1.2 四种连通类型实体RVE模型的建立及网格划分
• 3.2 定义边界条件及施加载荷
• 3.2.1 计算力学常数所需施加的边界条件及载荷
• 3.2.2 计算电学常数所需施加的边界条件及载荷
• 3.3 后处理
• 3.4 预测方法验证
• 第四章 影响压电复合材料性能参数的因素分析
• 4.1 连通类型及压电相体积分数的影响
• 4.2 压电相空间尺寸对电学参数的影响
• 4.2.1 压电相几何形状的影响
• 4.2.2 压电相几何尺寸的影响
• 4.3 聚合物基体性能对1-3型压电复合材料压电常数的影响
• 4.3.1 杨氏模量的影响
• 4.3.2 泊松比的影响
• 4.3.3 介电常数的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文