智能材料课件作者陈英杰3第三章节.ppt

智能材料 第3章 压电复合材料 3.1 压电复合材料研究概况 3.1.1 压电复合材料的定义、分类和基本原理 3.1 压电复合材料研究概况 3.1.2 压电复合材料的研究进展 3.1.3 压电复合材料的制造方法和性能特点 1-3型压电复合材料 0-3型压电复合材料 3-3型压电复合材料 3.2 压电效应及压电复合材料基本理论 3.2.1 压电效应与压电方程 1.压电效应及其表达式 (1)正压电效应 3.2.1 压电效应与压电方程 3.2.1 压电效应与压电方程 (2)逆压电效应 3.2.1 压电效应与压电方程 2．压电方程 压电晶体总是被制成各种不同形状的元件来使用，由于应用状态或者测试条件的不同，它们可以处于不同的电学边界条件和机械边界条件，对于不同的边界条件，为了计算方便，常常选择不同的自变量和因变量来表示压电元件的压电方程。 3.2.1 压电效应与压电方程 2．压电方程 (1)四类边界条件 (2)四类压电方程 3.2.1 压电效应与压电方程 3．压电方程中各常数的物理意义及相互关系 (1)压电方程中各物理常数的定义 (2)各种物理常数的关系 3.2.1 压电效应与压电方程 根据四类压电方程和各压电常数的定义，可以得出各压电常数之间的关系如下： 3.2.2 压电元件的主要性能 1．介质损耗 3.2.2 压电元件的主要性能 2．机械品质因数 3.2.2 压电元件的主要性能 3．机电耦合系数 3.2.3 常用压料的结构和机理 1．压电陶瓷 2．高分子压电材料 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 1．1-3型压电复合材料基本原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 2．利用横向压电效应的1-3型压电复合材料的本构关系 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 为了得到复合材料的本构关系，需做一下假设： (1)假设在z方向上，单元体的应力等于各相应力的叠加，而应变则等于各相应变，即 (2)假设在x方向上，各相应力相等并等于单元体的应力，而单元体的应变则等于各项应变的叠加，即 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 (3)假设在z方向上，单元体的电位移等于各相电位移的叠加，即 (4)因为电极面为xy面，所施加的电场方向与极化方向一致，因此E1=E2=0，E3≠0，这样4、5、6方向上的性质就与所施加的电场无关。为了简化分析，可以假设4、5、6方向上的应力、应变为零，即 （a表示压电相和聚合物相）。 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3．利用厚度剪切压电效应的压电复合材料的本构关系 具体假设如下： 1)假设在x方向上，单元体的应力等于各相应力的叠加，而应变则等于各相应变，即 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 2)假设在y、z方向上，各相应力相等并等于单元体的应力，而单元体的应变则等于各项应变的叠加，即 3）假设在x方向上，单元体的电位移等于各相电位移的叠加，即 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 3.2.4 1-3型压电复合材料的复合原理 尚辅网 / 压电复合材料的10种连接方式 压电复合材料的10种连接方式 压电复合材料的10种连接方式 压电复合材料的10种连接方式 压电复合材料的10种连接方式 D﹦dT 或 或 D﹦eS 式中 ——压电常数d、e的转置矩阵。 式中 ω——交变电场的角频率； R——损耗电阻， C——介质电容。 机械品质因数越大，能量的损耗越小。机械品质因数可根据特效电路来计算。当Δf很小时，可近似地按下式计算： 式中 ——表示输入的总能量； ——表示转换获得的能量。 4．频率常数 长度伸缩振动的长条形振子的频率常数为： 径向伸缩振动的圆片的频率常数为: （a）未极化的PVDF薄膜结 （b）极化后的PVDF薄膜结构 图3-3 PVDF薄膜结构 压电陶瓷的两种压电效应 1-3型压电复合材料示意图 （箭头E表示电场方向，箭头P表示极化方向