聚偏氟乙烯材料（Polyvinylidene Fluoride,簡稱PVDF）是一種具有雙向可逆能量轉換特性的壓電智能材料。PVDF薄膜具有壓電性能強、頻率響應寬、柔韌性和加工性能好等優(yōu)良特性。PVDF薄膜嵌入性強,其在智能結構領域具有廣泛的應用。本課題在分析面接觸傳感技術以及形貌感測技術研究現(xiàn)狀的基礎上,分析了目前國內(nèi)外關于形貌感測技術的研究現(xiàn)狀,并對PVDF材料的基本特性及其應用研究進行了綜述。在基于PVDF薄膜本構方程及壓電效應、熱電效應機理分析的基礎上,討論了PVDF薄膜在動態(tài)接觸式應用中的優(yōu)越性,結合COMSOL有限元分析軟件（DEMO版）,進行了PVDF壓電仿真模型的構建,并分析了PVDF薄膜中的電荷分布規(guī)律及接觸力和表面電荷的關系。在此研究基礎上,進一步研究了基于PVDF壓電薄膜的形貌感測原理,建立了表面電荷量與形貌幾何特征的函數(shù)關系,并研究出了特定的型值點遞推算法,采用Ferguson曲線模型進行形貌曲線的重建。針對一定的曲線進行了算法驗證,結果表明具有較好的重建效果,驗證了該感測算法的可行性。研究表明,曲線重構誤差和采樣點數(shù)目之間存在一定的數(shù)學關系。針對型值點誤差,進... 

【文章來源】：武漢科技大學湖北省

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

研究技術路線

武漢科技大學碩士學位論文10圖2.1介電體、壓電體、熱釋電體、鐵電體的包含關系PVDF是一種主要有β型和α型兩種晶體結構的聚合物，由于β型其CF2偶極子的朝向與方向相同，β型晶體分子鏈沿著b軸呈一種平形狀排列，其具有較好的壓電性和一定的熱電性。2.2PVDF薄膜的壓電效應2.2.1PVDF薄膜壓電傳感機理PVDF薄膜的壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是沿PVDF薄膜一定方向受到外力作用發(fā)生形變，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其兩相對表面會出現(xiàn)極性相反、大小相等的電荷，當外力去掉后，PVDF薄膜又恢復到不帶電的狀態(tài)。相反地，逆壓電效應是當有外加電場施加在PVDF薄膜極化方向上時，會引起其內(nèi)部電極軸中心不對稱，從而導致其產(chǎn)生形變，當外加電場去掉后，PVDF薄膜又會恢復到形變前的狀態(tài)。PVDF薄膜的壓電方程表述為：mTimjijinnjjijiEdDEec（2-3）壓電方程反映了外界電場強度、薄膜上受的壓力、表面電荷之間的函數(shù)關系。電位移是由外力和所受電場影響疊加而成的，可表示為：mTimjijiEdD（2-4）式中，為應力值，E為電場強度，D為面電荷密度矩陣，T為介電常數(shù)矩

武漢科技大學碩士學位論文11陣的轉置矩陣，d為壓電應變常數(shù)矩陣，mi3,2,1,，j62,1。其中第一項是應力作用產(chǎn)生的電位移，第二項是應力為零時電場強度產(chǎn)生的電位移。當電場為零且只考慮電學邊界條件時，PVDF的壓電方程為忽略電場后的第一類壓電方程，其表達式為：jijidD（2-5）式（2-5）即為PVDF壓電薄膜正壓電效應函數(shù)表達式，反映了其機械能轉化為電能的能力，通過測量壓電元件上的電荷量，計算出其變形量，從而求出所受外力。為了研究PVDF壓電薄膜傳感特性，需要對其受力進行分析（如圖2.2所示），圖中，1x、1y、1z分別表示三個坐標軸的軸向，4x、5y、6z分別為圍繞x、y、z三個坐標軸方向。一般來說，PVDF薄膜在x軸方向的壓電常數(shù)較大，其延伸方向表示為拉伸方向，z軸為垂直于膜面的方向，表示為極化方向（即受力方向），極化方向的壓電常數(shù)最大。圖2.2PVDF壓電薄膜微元體受力分析不同受力方向及不同表面上電荷積累是不同的，用應力和電荷密度來表征壓電效應為：jijjidD（2-6）式中，jiD表示j方向受力時在i方向上電荷積累的表面密度（即沿i方向的極化強度）；ijd表示j方向受應力時，在i方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)；其表示晶體

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3304527