方形压电纤维复合物的结构与压电驱动性能相关性研究

针对圆形压电纤维复合物具有的电极与压电纤维为点接触、极化和工作电场分布不均匀等缺点，以及其结构的复杂性为理论模型的建立和分析带来的困难，本项目采用粘稠塑性加工技术得到方形压电纤维复合物，通过微观结构分析、压电和介电性能测试以及计算机模拟，获得结构关联性指数、"非活跃"区域的体积分数、IDE电极与PZT纤维之间的聚合物层厚度等结构参数与方形压电纤维复合物介电性能和压电性能之间的量化关系，揭示方形压电纤维复合物的结构参数对其压电驱动性能影响的机制。确定结构参数中的关键影响因素，发展合理的方形压电纤维复合物的结构模型，明确进一步提高方形压电纤维复合物驱动性能的途径，建立制备高性能方形压电纤维复合物的技术原型，为推动该技术在国内的智能材料和智能结构控制领域的发展和应用奠定理论基础和技术依据。

针对圆形压电纤维复合物具有的电极与压电纤维为点接触、极化和工作电场分布不均匀等缺点，以及其结构的复杂性为理论模型的建立和分析带来的困难，本项目发展了粘稠塑性加工技术，并利用该技术获得了方形压电纤维及其复合物器件，且器件工作性能达到商业产品(MFC)的性能指标，在国内外首次报道了采用该技术获得的具有稳定工作性能的压电纤维复合物器件。. 从组分、精细结构设计与加工等方面，通过微观结构分析、压电和介电性能测试以及计算机模拟，获得了方形压电纤维复合物结构参数与介电性能和压电性能之间的量化关系，揭示了方形压电纤维复合物电极宽度、指间距、压电陶瓷纤维厚度及体积分数等结构参数与复合物驱动应变性能相关性，获得了电场在纤维中的不均匀分布状况。建立了具有不同极化程度的纤维模型，并根据仿真模拟结果得到了计算量小且结果精确的结构模型；通过综合Von Mises 应变和应力的双重影响，获得了压电纤维复合物具有最佳驱动性能及最小纤维断裂可能性的电极指宽尺寸；针对聚合物层厚度对复合物性能的影响，从仿真模拟和实验结果两方面对此影响进行了验证。首次以方形压电纤维复合物为结构模型，综合考虑了各结构参数对复合物驱动性能及应力分布的影响，并且通过实验验证了仿真结果的指导性及可靠性，揭示了压电复合物各组成相结构参数的精细控制对复合物驱动性能的调控具有关键作用，因而明确了提高压电纤维复合物驱动性能的有效途径。. 在国际学术会议上，项目组成员就压电纤维复合物的制备及结构-性能相关性做了多次口头报告，包括在第八届先进陶瓷国际研讨会做特邀报告，与压电陶瓷与器件领域专家开展深入探讨，广泛交流了最新的研究成果，获得了国际同行的好评与认可。目前在此领域已发表SCI、EI收录论文10余篇，其中包括J. Appl. Phys.、Sensor & Actuator A 等压电物理与器件领域国际权威期刊，已申请相关专利3项，其中获得授权发明专利2项。