水泥基壓電復(fù)合材料的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、水泥基壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷(PZT)按照不同的分布形式和陶瓷體積分?jǐn)?shù)分布于水泥石基體中而制備成的新型材料。由于水泥基壓電復(fù)合材料因壓電陶瓷可以被極化而具有壓電效應(yīng)，使得水泥基壓電復(fù)合材料在既克服傳統(tǒng)純陶瓷材料與混凝土相容性差等缺點(diǎn)的同時(shí)，又保持壓電材料的優(yōu)點(diǎn)，從而可以用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中。研究水泥基壓電復(fù)合材料的有效性能，對(duì)水泥基壓電復(fù)合材料基于性能需求的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，以及水泥基壓電傳感器在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。本

2、文重點(diǎn)研究不同類(lèi)型的水泥基壓電復(fù)合材料的性能預(yù)測(cè)理論模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性，并進(jìn)行模型的數(shù)值討論與分析，最后提出設(shè)計(jì)優(yōu)化的建議。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?、鸥鶕?jù)水泥材料作為基體容易出現(xiàn)與PZT夾雜粘結(jié)界面不牢固的事實(shí)，提出了合理的壓電材料的廣義彈簧界面模型，推導(dǎo)了廣義彈簧模型參數(shù)與壓電材料界面層（相）的的數(shù)學(xué)關(guān)系?；趭A雜的廣義本征應(yīng)變問(wèn)題，建立了細(xì)觀力學(xué)中壓電材料的修正廣義Eshelby張量，定量給出了修正廣義Eshelb

3、y張量與經(jīng)典壓電材料廣義Eshelby張量的關(guān)系。提出了兩種修正的廣義Eshelby張量的具體數(shù)值算法，并對(duì)影響修正廣義Eshelby張量的界面參數(shù)進(jìn)行了討論。
　?、苹趬弘姴牧系男拚膹V義Eshelby張量，建立了夾雜與基體為非完美界面時(shí)的三維細(xì)觀力學(xué)框架，給出修正的稀疏法、修正的Mori-Tanaka法、修正的微分法以及修正的自洽法模型的統(tǒng)一表達(dá)式，提出采用修正的細(xì)觀力學(xué)模型預(yù)測(cè)PZT與基體為非完美界面時(shí)的壓電復(fù)合材料的有效

4、性能。通過(guò)理論預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)中試驗(yàn)值的對(duì)比分析，初步界定了經(jīng)典細(xì)觀力學(xué)方法的適用范圍。
　?、歉鶕?jù)以往0-3型水泥基壓電復(fù)合材料有效性能試驗(yàn)中出現(xiàn)的PZT顆粒粒徑效應(yīng)及PZT夾雜與水泥基體的掃描電鏡結(jié)果，建立了PZT與水泥基體為非完美界面時(shí)，基于PZT顆粒平均半徑的0-3型水泥基壓電復(fù)合材料有效性能理論預(yù)測(cè)模型;與試驗(yàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的可靠性;從原理上闡釋了0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的有效性能產(chǎn)生PZT粒徑效應(yīng)的機(jī)制，在于水泥基

5、體與PZT顆粒之間存在非完美界面，非完美界面對(duì)復(fù)合材料有效性能的影響隨夾雜顆粒的體表比大小而變化;通過(guò)理論與試驗(yàn)的對(duì)比分析，提出了0-3型水泥基壓電復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。
　　⑷基于2-2型水泥基壓電復(fù)合材料為單方向上的準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，采用宏細(xì)觀相結(jié)合的多尺度模型，預(yù)測(cè)壓電復(fù)合材料有效性能;試驗(yàn)研究了2-2型水泥基壓電復(fù)合材料的有效性能，并與理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了理論模型的可靠性。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整壓電功能相的體積分?jǐn)?shù)可使2

6、-2型水泥基壓電復(fù)合材料的靜水壓電應(yīng)變系數(shù)dEffh高于壓電功能相的靜水壓電應(yīng)交系數(shù)dEffh;結(jié)合理論與試驗(yàn)提出了2-2型水泥基壓電復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。
　?、梢罁?jù)1-3型水泥基壓電復(fù)合材料為雙方向上的準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，壓電功能增強(qiáng)相的橫截面為方形（或矩形）等特點(diǎn)，采用以多尺度模型為基礎(chǔ)的“二次均勻法”預(yù)測(cè)了1-3型壓電復(fù)合材料的有效性能;試驗(yàn)研究了1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的有效性能，并與理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了模型的可靠