1-3型压电复合材料及其声发射传感器研究

作     者：戴晗 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄世峰

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：1-3型压电复合材料 声发射传感器 结构健康监测 金属腐蚀 声发射信号源定位 

摘      要：桥梁是提高交通运输效率和改善国民经济的基础设施。据统计,在我国越来越多的桥梁投入使用,现役和在建桥梁多达90余万座。然而,受工作环境和服役时间影响,其安全性面临严重挑战。为了确保桥梁结构安全,避免灾害性事故发生和保障人民的生命财产安全,开展桥梁结构在线健康监测迫在眉睫。声发射监测技术凭借其响应速度快、监测范围广、灵敏度高等优势,可以实现大型结构损伤的实时、动态监测,在桥梁健康监测方面具有先天优势。然而,大跨度桥梁主要由钢桁架、混凝土箱梁和支座等组成,由于钢桁架和混凝土箱梁材质不同,在损伤过程中产生的声发射信号存在明显差异,导致对大跨度桥梁整体的监测精度下降。因此,本文针对混凝土和金属材料声发射特性,通过有限元分析探讨了PZT体积分数和宽高比等结构参数对1-3型压电复合材料机电性能的影响,并利用切割-浇注法制备了不同PZT体积分数和宽高比的1-3型压电复合材料,并研究其机电、压电、介电、机械品质因数、机电耦合系数等性能。以1-3型压电复合材料为传感器压电元件、环氧树脂为背衬层制备了系列1-3型声发射传感器,明确了其声发射特征参数、波形信息变化规律,并对其进行标定。利用制备的1-3型声发射传感器构建了混凝土龄期、强度及距离与声发射特征信号之间的关系,明确了钢板腐蚀程度与声发射特征信号之间的关联性,并以此为基础研究了不同材料声发射信号源的定位特性。具体研究结果如下:（1）采用切割-浇注法制备了1-3型压电复合材料,通过有限元分析和实验验证探讨了压电陶瓷柱体积分数、宽高比等结构参数对1-3型压电复合材料压电、介电和声学性能的影响。研究结果表明:随着PZT体积分数的增加,1-3型压电复合材料电导值增大且峰形变窄,谐振频率都在210 k Hz附近,振动模态以厚度模态为主;相对介电常数ε增大,且基本呈线性增长的趋势,压电应变常数d增大,压电电压常数g减小,厚度机电耦合系数K_t在0.64-0.74之间波动;机械品质因数Q由6增大至61.7。随着PZT陶瓷柱宽高比的增大,电导值增大且峰形变宽,振动模态以厚度模态为主,谐振频率由208 k Hz增加到255 k Hz;ε、d逐渐减小,g几乎不受宽高比的影响,在35.5 m·C和37.5 m·C之间微小波动,K_t呈现减小的趋势,在0.69至0.75之间变化,Q逐渐减小。与有限元分析的结果相对应。故选择PZT体积分数为56.0%、宽高比为0.2的1-3型压电复合材料作为声发射传感器的压电元件。（2）以制备的1-3型压电复合材料作为传感器压电元件、环氧树脂作为背衬层、AlO陶瓷片作为匹配层制备了1-3型声发射传感器。在铝板上,通过断铅试验模拟声发射源,探索了传感器性能变化规律,研究结果表明:随着声发射信号源与声发射传感器距离的增加,能量和幅值均减小,且线性相关性较大;背衬层由于水泥、钨粉的添加,声发射电压最大值均得到提高,且信号衰减更快。背衬层为环氧/钨粉/水泥的声阻抗最大,为3.9 MRal,吸波能力最强,反射声波能力最小,因此标定结果中背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器带宽最宽,为41-280 k Hz,且响应平缓,这与在铝板上的断铅试验结果相一致。表明本文制备的背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器一致性良好且幅值稳定,具有良好的声发射信号接受能力,能够用于各材料损伤源的定位监测。（3）本文还设计了C30、C40、C50三种不同理论强度的混凝土试块,将背衬层为环氧/钨粉/水泥的1-3型声发射传感器外贴于混凝土表面,研究了混凝土龄期变化对声发射特性的影响,研究结果表明:随着龄期的增加其抗压强度逐渐增加,声波在样品中的传播速度逐渐增大。C30混凝土在距离传感器5 cm处的断铅信号能量随着龄期的增加而增大。在每个龄期内,断铅信号的能量和幅值均随距离的增大而减小,且幅值随距离的变化更加线性;5至10 cm的能量变化大于10至25 cm的能量变化。C40和C50混凝土的能量和幅值也有以上规律。随着设计强度的增加,声发射传感器接收到的波形最高值逐渐变大;随着龄期的增加,其幅值逐渐增大、声发射特征频率逐渐变宽,当龄期达到14天后都趋于稳定。该发现为评价混凝土所处状态和提高混凝土监测精度提供了理论基础。（4）利用外加直流电压法设计了金属加速腐蚀实验,采用1-3型声发射传感对金属腐蚀过程进行了实时监测,依据监测结果构建了金属腐蚀过程与声发射特征信号之间的关联性,研究结果表明:腐蚀过程声发射幅值主要集中于45-55 d B;前期声发射能量均较小,随着加速腐蚀实验的进行腐蚀信号能量略微增大,在腐蚀时间达到100000 s-120000 s出现能量异常增大现象;腐蚀前期和腐蚀中期出现大量撞击信号;结合声发射累积撞击数,可以将钢板腐蚀过程划分为前期去钝化、持续腐蚀和锈蚀产物脱落三个阶段。（5）基于以