MFC压电纤维复合材料的制备及电输出性能研究

阅读量：

552

作者：

谢焰

展开

摘要：

压电纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)是一种新型的功能复合材料,它是由陶瓷纤维和聚合物复合而成,具有聚合物的柔韧性和压电陶瓷的压电效应.作为功能相的压电陶瓷使MFC具有机电转换的能力,能广泛应用于健康监测,驱动传感,能量采集等领域.尤其在大载荷,高应变的使用场合,MFC中柔性的聚合物能保护陶瓷在高载荷下不被破坏.本文以PZT-5H陶瓷为压电相,环氧为聚合物相制备MFC,研究其电输出性能.探讨MFC结构参数及俘能器结构对其电输出性能的影响.采用Multisim软件模拟俘能器电流源获得负载特性并搭建电路测试MFC俘能器俘能特性.以固相烧结法制备的PZT-5H体系陶瓷为原料,用切割浇注法和切割叠层法制备不同固含量的压电纤维层,用叉指电极将纤维层封装制备成压电纤维复合材料MFC.研究高低固含量,纤维层厚度,叉指电极间距和器件长度对MFC电输出性能的影响.结果表明,切割叠层法制备的高固含量MFC具有更高的输出电压.纤维层厚度增加,MFC的谐振频率增加,输出电压提高;但纤维层厚度过大会降低器件的柔韧性,因此,要选择合适的纤维层厚(约为0.3 mm).叉指电极间距减小,MFC的谐振频率不变,输出电压增加;但叉指间距不能太小,否则压电陶瓷非活区域面积占比将超过40%,且电场均匀性变得很差,因此,要选择合适的叉指电极间距(约为0.25 mm);器件长度减小,MFC的谐振频率增大,输出电压降低.以MFC作为压电转换元件,设计不同的俘能器结构,主要包括悬臂梁结构和彩虹振动结构.悬臂梁俘能器可以通过改变基底形状,基底长度和加入质量块来改变其电输出性能.结果表明,悬臂梁俘能器采用梯形基底比采用矩形基底能获取更高的输出电压;基底长度增加,俘能器谐振频率和输出电压降低;质量块质量增加,俘能器谐振频率降低,输出电压增加.利用MFC的柔性设计彩虹振动俘能器,研究预应力对MFC彩虹振动俘能器电输出性能的影响.结果表明,预应力越大,俘能器输出电压越高,谐振频率越大,频域半高宽越大.但是,预应力太大会使MFC碎裂失效.软件模拟的MFC悬臂梁俘能器负载特性与实验数据有较好的匹配性.俘能器能在1600分钟将0.1 F的超级电容器两端电压充至6000 mV,并在100万次的激振试验后保持99%以上的输出电压.以上结果表明,MFC俘能器适用于能量收集.

展开

关键词：

压电纤维复合材料；电输出性能；俘能器；悬臂梁

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1019.809153