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压电智能材料在土木工程中的应用

发布时间:2022-08-07 00:59:14 来源:艾尚体育官网 作者:艾尚体育网页登录版

内容简介:  压电材料,是一种由于其正负压电效应,受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料,是一种既能作为驱动材料又能作为传感材料的智能材料。在工程应用中,一般分为压电晶体、压电纤维、压电陶瓷和压电聚合物等几类。那何为压电效应,请看下图分解。  当下新冠疫情全球蔓延,从疫情防控到医疗救治,我们离不开口罩、ICU呼吸机和超声医疗设备等医疗物资。然而,在这些医疗物资生产和供应的背后,压电陶瓷材料就是其中不可或缺的关键元件。作为阻断新冠病毒传播的盾牌,口罩在“闷死”病毒的战役中居功至伟。而口罩机的工作离不开神奇的压电陶瓷材料。  压电陶瓷材料在口...

  压电材料,是一种由于其正负压电效应,受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料,是一种既能作为驱动材料又能作为传感材料的智能材料。在工程应用中,一般分为压电晶体、压电纤维、压电陶瓷和压电聚合物等几类。那何为压电效应,请看下图分解。

  当下新冠疫情全球蔓延,从疫情防控到医疗救治,我们离不开口罩、ICU呼吸机和超声医疗设备等医疗物资。然而,在这些医疗物资生产和供应的背后,压电陶瓷材料就是其中不可或缺的关键元件。作为阻断新冠病毒传播的盾牌,口罩在“闷死”病毒的战役中居功至伟。而口罩机的工作离不开神奇的压电陶瓷材料。

  压电陶瓷材料在口罩机中主要作用是将口罩的各部分焊接起来。它的工作过程是,先由振荡电路振荡出高频电信号,然后由压电材料将其转化为高频的机械振动,该每秒上几十万次的振动加上气压缸产生压力通过焊头传导在塑料工件上,使塑料工件的接合面剧烈摩擦后熔化,振动停止后维持在工件上。

  对于呼吸机的制造,基于压电陶瓷材料研制的压电阀是现代呼吸机的关键零部件之一 。

  压电陶瓷材料同样是用于心电监测、血流诊断的超声医疗设备的核心元器件。由运动结构反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官(如心脏或者血液)的运动速度信息。

  澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)与新南威尔士大学(UNSW)合作,将液态金属合成物应用到压电材料上,推动了未来从身体运动获取能量的柔性可穿戴电子器件以及生物传感器的发展。

  压电陶瓷材料以其质量轻、免疫力强、响应快、耐湿、耐热、结构简单、可靠性好等优点得以应用于智能材料与结构中,尤其在材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面有其独特的用途。 如今不少人采用压电材料制成多种传感器,用来测量各种结构状态下的压力、速度、加速度等。

  国外对压电陶瓷类的智能材料的应用研究主要集中在结构振动控制与结构形状的自适应控制 2个方面。从 1991 年,美国就应用压电技术建立了压电陶瓷结构声主动控制系统(ASAC),1993年美国还研制了含有主动控制的压电复合材料结构,随后不断有研究人员利用压电陶瓷作为加速传感器和驱动器研究了在不同复杂激励条件下压电层结构的主动控制等问题。

  我国同样有大量研究人员在该方面的研究成果不断涌现。明清等通过将压电智能材料制作成压电智能传感器粘贴在建筑结构的表面,完成了对结构内部所存在的缺陷的监测。艾亿谋等采用压电有限元分析方法,研究了压电材料对柔性悬臂梁的振动控制的影响,所得振动效果。在智能材料对结构的损伤识别方面,基于压电波动理论,通过分析压电智能材料所接收到的应力波来研究建筑结构的损伤情况。

  利压电陶瓷驱动器对结构进行控制可采用被动控制、主动控制以及混合控制等控制策略。被动控制与主动控制相结合形成混合控制是当前振动工程的一个新兴方向。压电材料是实现主被动混合控制的理想材料,可以通过压电材料把主、被动控制技术的优点有机结合在一起。欧进萍等人设计的压电-摩擦耗能器是在Pall耗能摩擦器的基础上增加压电陶瓷垫圈复合而成的,耗能器摩擦力的调节是利用紧固螺栓的“压电陶瓷垫圈”的电致形变改变螺栓的紧固力来实现的。

  压电材料作为一种具有相当广阔应用前景的智能材料,正得到越来越多的重视。然而,采用压电智能驱动器或耗能器对对土木工程结构控制进行研究才开始起步,由于土木工程结构及其庞大复杂,所以将压电智能驱动装置实际应用到土木结构的控制中还存在不少的急待解决的问题,系统集成化方面比较欠缺,而且由于压电材料自身的缺点,也阻碍了运用压电陶瓷驱动器进行土木工程结构振动控制的工程实用化进程。

  【2】薛伟辰, 郑乔文, 刘振勇,等. 结构振动控制智能材料研究及应用进展[J]. 地震工程与工程振动, 2006(5):213-217.

  【4】颜天祥. 采用压电智能材料的土木工程结构控制研究进展[J]. 成功:中下, 2018(7):206-206.

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