【摘要】：混凝土結(jié)構(gòu)在人們生產(chǎn)生活中的隨處可見,其在壽命期內(nèi)不僅受到靜荷載的作用,還不可避免地受到各種動荷載作用。如今對混凝土結(jié)構(gòu)開展在動態(tài)荷載作用下力學性能的研究已經(jīng)成為土木工程界研究的熱點之一,同時,依靠智能監(jiān)測系統(tǒng)對其實施健康監(jiān)測和預報也成為趨勢。作為具有的驅(qū)動和感知能力的壓電陶瓷由于其響應(yīng)速度快,頻響范圍寬,線性關(guān)系好,易剪裁,價格低廉的特點得到廣泛應(yīng)用。在這樣的條件下,將壓電陶瓷埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,實現(xiàn)對其內(nèi)部動態(tài)應(yīng)力的監(jiān)測檢測在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域掀起了一股研究的熱潮。然而,市面上現(xiàn)有的壓電陶瓷性能上還不能滿足廣泛的應(yīng)用要求,開發(fā)出一種性能優(yōu)異的壓電陶瓷,制作成穩(wěn)定可靠的傳感器則尤為重要。本文根據(jù)傳統(tǒng)固相法制備PZT基壓電陶瓷,通過摻雜和調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度的方法改進其性能,最終在1150℃與1250℃之間的不同溫度下燒結(jié)制備出了Nb/Ce共摻Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3壓電陶瓷(PZT-NC)。然后對其電力學性能做了研究,開發(fā)出一種性能優(yōu)異的壓電陶瓷制作成傳感器,并對其進行了標定。具體工作如下:首先,對制備的PZT-NC壓電陶瓷做了電學性能測試:利用阿基米德法測試相對密度,采用XRD技術(shù)分析陶瓷的晶相結(jié)構(gòu),采用SEM技術(shù)分析陶瓷的組織形貌及化學成分。采用介溫方法測試居里溫度、介電常數(shù)和介電損耗,利用準靜態(tài)法測試壓電常數(shù)。測試表明:隨著燒結(jié)溫度的升高,樣品的介電常數(shù)峰值強度增加,居里溫度T_c降低,相對介電常數(shù)ε_r升高,介電損耗tanδ則先升高后降低,壓電系數(shù)d_(33)呈連續(xù)上升趨勢;壓電性能的提高可歸因于粗晶粒中的疇壁釘扎效應(yīng)。通過電學性能的研究,可以看出在1225℃溫度下燒結(jié)的PZT-NC壓電陶瓷具有最優(yōu)越的電學性能。其次,對1225℃溫度下燒結(jié)的PZT-NC壓電陶瓷做了力學性能測試:利用壓痕法測試斷裂韌性,采用三點彎曲法測試彎曲強度,采用壓痕強度彎曲梁法分析阻力曲線(R曲線),采用weibull統(tǒng)計方法分析彎曲強度及離散性。測試分析表明:PZT-NC壓電陶瓷的斷裂韌性由于鐵彈增韌而呈現(xiàn)明顯的各向異性,在空氣、水和硅油中,PZT-NC壓電陶瓷的斷裂韌性依次提高,同時由于鐵彈增韌,隨著環(huán)境溫度的升高,PZT-NC壓電陶瓷的斷裂韌性逐漸降低;鐵電疇轉(zhuǎn)向是鐵電陶瓷中主要的增韌機制,隨著裂紋擴展,裂紋尖端引力場誘導了鐵彈疇90度轉(zhuǎn)向,裂紋擴展阻力增大,導致了與垂直于極化方向相比,平行于極化方向有較高的斷裂韌性平臺值(K_(IRmax)),鐵彈性增韌的最大值?K_(max)達到0.632MPa·m~(1/2);由于鐵彈增韌阻礙了彎曲斷裂時的裂紋擴展,提高了平行于極化方向的彎曲強度,同時可靠性也得以提高。通過對其力學性能的進一步分析,可以看出其不僅在空氣中力學性能好,而且在水和油中斷裂韌性更好,同時還能適應(yīng)高溫環(huán)境,為其在環(huán)境惡劣的混凝土結(jié)構(gòu)中的可靠應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。最后,在前人所做工作的基礎(chǔ)上,改進了適用于混凝土結(jié)構(gòu)的嵌入式壓電陶瓷應(yīng)力傳感器的制作工藝,將制作好的PZT基壓電陶瓷埋入混凝土立方塊中,并通過伺服作動器標定了壓電陶瓷應(yīng)力傳感器在正弦動態(tài)荷載作用下的靈敏度。經(jīng)過改進后的傳感器受力更加均勻,具有良好的防水絕緣性能,傳感器動態(tài)荷載響應(yīng)良好,性能更加穩(wěn)定,無論加載頻率高還是低,無論荷載強度高還是低,傳感器輸出電荷量值和輸入的應(yīng)力值之間存在明顯的線性關(guān)系,且輸出的波形和輸入的荷載在時間上同步,傳感器具有較高的靈敏度和精確度。因此,本文所研究和制作的嵌入式壓電陶瓷應(yīng)力傳感器性能可靠并且可廣泛適用于監(jiān)測混凝土等結(jié)構(gòu)中的動態(tài)應(yīng)力。
【圖文】：

圖 1.1 壓電效應(yīng);(a)正壓電效應(yīng)；（b）逆壓電效應(yīng)Fig. 1.1 Piezoelectric effect; (a) positive piezoelectric effect; (b) negative piezoelectric effect有壓電效應(yīng)的陶瓷稱為壓電陶瓷。下面介紹壓電陶瓷的自發(fā)極化、鐵電性及極1）壓電陶瓷的自發(fā)極化現(xiàn)象電陶瓷內(nèi)部自發(fā)極化現(xiàn)象使得壓電陶瓷具備壓電效應(yīng)。自發(fā)極化由壓電材料特分子結(jié)構(gòu)所決定的并且具有方向性，屬于物理現(xiàn)象。從微觀機理出發(fā)，壓電陶排列規(guī)則的原子組成的細小晶粒結(jié)合而成。其在后甲溫度點以上屬于立方晶系度對稱無壓電性，因此不出現(xiàn)電荷極化現(xiàn)象，如圖 1.2(a): 當其處于居里溫度點晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，此時晶胞的 C 軸方向出現(xiàn)電極化現(xiàn)象，具備壓電性，(b) 該極化是由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起而非外加電場的作用，即晶體的自發(fā)性

圖 1.1 壓電效應(yīng);(a)正壓電效應(yīng)；（b）逆壓電效應(yīng)Fig. 1.1 Piezoelectric effect; (a) positive piezoelectric effect; (b) negative piezoelectric effect具有壓電效應(yīng)的陶瓷稱為壓電陶瓷。下面介紹壓電陶瓷的自發(fā)極化、鐵電性及極化：（1）壓電陶瓷的自發(fā)極化現(xiàn)象壓電陶瓷內(nèi)部自發(fā)極化現(xiàn)象使得壓電陶瓷具備壓電效應(yīng)。自發(fā)極化由壓電材料特殊部分子結(jié)構(gòu)所決定的并且具有方向性，屬于物理現(xiàn)象。從微觀機理出發(fā)，壓電陶瓷多排列規(guī)則的原子組成的細小晶粒結(jié)合而成。其在后甲溫度點以上屬于立方晶系高度對稱無壓電性，因此不出現(xiàn)電荷極化現(xiàn)象，如圖 1.2(a): 當其處于居里溫度點以，，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，此時晶胞的 C 軸方向出現(xiàn)電極化現(xiàn)象，具備壓電性，見.2(b) 該極化是由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起而非外加電場的作用，即晶體的自發(fā)性極
【學位授予單位】：西華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU528

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本文編號：2592891