CN116718640A - 一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，包括以下步骤：先获取试验初始数据，再对压电梁中的宏纤维压电复合材料进行退化试验，获取退化实验后宏纤维压电复合材料性能数据，最后对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析，确定宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。本发明通过对比在退化前后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料性能的退化测试结果。基于压电梁的退化数据，可以得到宏纤维压电复合材料的退化曲线，确定其退化行为，以便于从物理机制上解读宏纤维压电复合材料的退化行为。

Description

一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法

技术领域

本发明属于压电材料退化测试技术领域，具体涉及一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法。

背景技术

压电复合材料是近几十年新兴的一种新型材料，由于其优异的性能及环境适应性，压电复合材料已经在振动与噪声控制、智能传感、健康监测领域展现出广阔的应用前景。在航空结构工程领域，压电复合材料在高性能战斗机尾翼抖振响应控制、机翼或尾翼颤振抑制、机翼前缘振动除冰及结构健康监测等方面均有良好的应用前景。

近年来，压电复合材料在应力场反复作用下发生的压电性能退化现象受到广泛关注，大量实验研究结果表明，压电复合材料在应力场作用下会由于应力去极化效应而发生显著的压电性能退化，材料压电性能的退化将直接导致压电复合材料功能退化，最终造成压电结构振动控制失效。

传统的测量方法一般为测量悬臂梁的尖端位移响应峰值来表征宏纤维压电复合材料的作动能力，然而，由于要进行四点弯曲疲劳试验，综合考虑下压电梁一般较厚，导致压电悬臂梁的尖端位移一般较小，外在扰动及噪声会对测试结果造成一定的误差，同时退化试验前后压电悬臂梁夹持形式也需要保持一致，测量得到的正弦响应数据峰值也会存在波动，这些都会导致宏纤维压电复合材料性能退化结果精度得不到保证。

基于此，提出了一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，包括以下步骤：

先获取试验初始数据，再对压电梁中的宏纤维压电复合材料进行退化试验，获取退化实验后宏纤维压电复合材料性能数据，具体是获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，最后对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析，确定宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

进一步的，获取试验初始数据是获取未退化状态下宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据；

其中所述获取宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的过程，包括以下步骤：

先对压电梁施加正弦测试载荷，再采集所述压电梁上宏纤维压电复合材料输出的所述电压信号数据；

再基于设计的测试夹具将所述压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁，对压电悬臂梁输入高压测试信号，采集压电悬臂梁根部应变响应数据。

进一步的，对压电梁上的宏纤维压电复合材料进行退化试验的过程具体是对所述压电梁上的宏纤维压电复合材料施加单一载荷或综合载荷，使宏纤维压电复合材料的性能产生退化。

进一步的，所述综合载荷包括至少两个不同种类的单一载荷，所述单一载荷为预设次数的力载荷、电压或预设时间的温度载荷。

进一步的，获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，包括以下步骤：

先向经退化试验后的压电梁施加正弦测试载荷；

采集所述经退化试验后的压电梁上宏纤维压电复合材料的电压输出信号数据；

基于设计的测试夹具将所述退化试验后的压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁；

向所述经退化试验后的宏纤维压电复合材料输入高压测试信号，采集所述经退化试验后的压电悬臂梁根部应变响应数据。

进一步的，获取宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的过程，包括以下步骤：

对压电梁施加正弦测试载荷，使压电梁上的宏纤维压电复合材料上产生应力；

采集所述压电梁上的宏纤维压电复合材料产生的电压信号数据；

将所述压电梁以测试夹具夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁；

对所述压电悬臂梁施加正弦扫频高压信号，采集正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，处理所述采集的正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，获得压电悬臂梁的第一阶固有频率，作为后续试验的激励频率；

对所述压电悬臂梁施加一阶固有频率处的正弦高压测试信号，采集所述压电悬臂梁根部应变响应数据。

进一步的，获取宏纤维压电复合材料电压输出信号数据用于表征宏纤维压电复合材料的传感性能，压电悬臂梁根部应变响应数据用于表征宏纤维压电复合材料的作动性能。

进一步的，对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析是根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果；

其中，根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果的步骤包括：

对比所述退化前后所采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定退化前后所述宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异；

根据所述退化前后宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异，确定所述宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过对比在退化前后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料性能的退化测试结果。基于压电梁的退化数据，可以得到宏纤维压电复合材料的退化曲线，确定其退化行为，以便于从物理机制上解读宏纤维压电复合材料的退化行为。

附图说明

图1是本发明步骤流程图；

图2是本发明实验例中对压电梁施加正弦测试载荷或进行退化试验时压电梁的放置示意图

图3是本发明实验例中适用于压电悬臂梁的测试夹具

图4是本发明中压电悬臂梁的夹持示意图。

附图标记说明：

1-应变片；2-宏纤维压电复合材料；3-压电梁；101-测试夹具中空部；102-测试夹具夹持部。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例，如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，包括以下步骤：

先获取试验初始数据，获取试验初始数据是获取未退化状态下宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据；

其中所述获取宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的过程，包括以下步骤：

先对压电梁施加正弦测试载荷，再采集所述压电梁上宏纤维压电复合材料输出的所述电压信号数据；

再基于设计的测试夹具将所述压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁，对压电悬臂梁输入高压测试信号，采集压电悬臂梁根部应变响应数据。

再对压电梁中的宏纤维压电复合材料进行退化试验，对压电梁上的宏纤维压电复合材料进行退化试验的过程具体是对所述压电梁上的宏纤维压电复合材料施加单一载荷或综合载荷，使宏纤维压电复合材料的性能产生退化；

所述综合载荷包括至少两个不同种类的单一载荷，所述单一载荷为预设次数的力载荷、电压或预设时间的温度载荷。

获取退化实验后宏纤维压电复合材料性能数据，具体是获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，包括以下步骤：

先向经退化试验后的压电梁施加正弦测试载荷；

采集所述经退化试验后的压电梁上宏纤维压电复合材料的电压输出信号数据；

基于设计的测试夹具将所述退化试验后的压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁；

向所述经退化试验后的宏纤维压电复合材料输入高压测试信号，采集所述经退化试验后的压电悬臂梁根部应变响应数据。

获取宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的过程，包括以下步骤：

对压电梁施加正弦测试载荷，使压电梁上的宏纤维压电复合材料上产生应力；

采集所述压电梁上的宏纤维压电复合材料产生的电压信号数据；

将所述压电梁以测试夹具夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁；

对所述压电悬臂梁施加正弦扫频高压信号，采集正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，处理所述采集的正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，获得压电悬臂梁的第一阶固有频率，作为后续试验的激励频率；

对所述压电悬臂梁施加一阶固有频率处的正弦高压测试信号，采集所述压电悬臂梁根部应变响应数据。

获取宏纤维压电复合材料电压输出信号数据用于表征宏纤维压电复合材料的传感性能，压电悬臂梁根部应变响应数据用于表征宏纤维压电复合材料的作动性能。

最后对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析，确定宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

具体是对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析是根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果；

其中，根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果的步骤包括：

对比所述退化前后所采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定退化前后所述宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异；

根据所述退化前后宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异，确定所述宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

实验例，采用M5628-P1型宏纤维压电复合材料以真空袋法贴在材料为65Mn钢的钢梁中心，所述的宏纤维压电复合材料长67mm，宽35mm，厚0.3mm，所述的钢梁长400mm，宽35mm，厚5mm。

首先获取未退化状态下的宏纤维压电复合材料的传感性能与作动性能，即宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据。

将设计的压电梁以图2的形式放置在疲劳试验机上，其中，1-应变片；2-宏纤维压电复合材料；3-压电梁；R=5mm，对压电梁施加正弦测试载荷，使压电梁上的宏纤维压电复合材料上产生应力，采集压电梁上的宏纤维压电复合材料产生的电压信号数据；

将压电梁采用图3的测试夹具夹持为图4所示的压电悬臂梁形式，其中图3为测试夹具的俯视图，测试夹具中空部101用于压电悬臂梁的位置固定，测试夹具夹持部102用于对压电悬臂梁的夹持，测试夹具可以保证每次夹持一致，对压电悬臂梁施加正弦扫频高压信号，采集正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，处理采集的正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，得到其频响函数，确定压电悬臂梁的第一阶固有频率，作为后续试验的激励频率。以一阶固有频率的正弦高压测试信号施加到宏纤维压电复合材料上，驱动压电悬臂梁振动，采集压电悬臂梁根部应变响应数据。

传统方法采用测量压电悬臂梁的尖端位移响应来表征作动性能，由材料力学可知，悬臂梁的一阶振型为：

式中，

又由于矩形截面梁上

W为抗弯截面系数。

由于其振型不变，则i处的弯矩与尖端位移成正比，可得i处的应变与尖端位移成正比，可以采用根部应变响应表征宏纤维压电复合材料的作动性能，且根部应变响应较大，外界干扰对其影响较小。

对压电梁中的宏纤维压电复合材料进行退化试验；

将压电梁以图2的形式放置在疲劳试验机上，对其进行固定次数的四点弯曲疲劳试验，其中四点弯曲可以保证上方两个加载点内侧的宏纤维压电复合材料所受的名义应力是相等的。

步获取退化实验后宏纤维压电复合材料性能数据；

获取退化后的宏纤维压电复合材料的传感性能与作动性能，即宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据。

将设计的压电梁以图2的形式放置在疲劳试验机上，对压电梁施加正弦测试载荷，使压电梁上的宏纤维压电复合材料上产生应力，采集压电梁上的宏纤维压电复合材料产生的电压信号数据；

将压电梁图3的测试夹具夹持为图4所示的压电悬臂梁形式，测试夹具可以保证每次夹持一致，对压电悬臂梁施加正弦扫频高压信号，采集正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，处理采集的正弦扫频高压信号与压电悬臂梁根部应变响应数据，得到其频响函数，确定压电悬臂梁的第一阶固有频率，作为后续试验的激励频率。以一阶固有频率的正弦高压测试信号施加到宏纤维压电复合材料上，驱动压电悬臂梁振动，采集压电悬臂梁根部应变响应数据。

最后对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析；

根据退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果；

确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果的步骤为：

根据退化前后宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的退化特征参数为两种数据的峰值及频谱。通过对比退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据峰值差异，确定宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

先获取试验初始数据，再对压电梁中的宏纤维压电复合材料进行退化试验，获取退化实验后宏纤维压电复合材料性能数据，具体是获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，最后对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析，确定宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。

2.根据权利要求1所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，获取试验初始数据是获取未退化状态下宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据；

其中所述获取宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的过程，包括以下步骤：

先对压电梁施加正弦测试载荷，再采集所述压电梁上宏纤维压电复合材料输出的所述电压信号数据；

再基于设计的测试夹具将所述压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁，对压电悬臂梁输入高压测试信号，采集压电悬臂梁根部应变响应数据。

3.根据权利要求1所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，对压电梁上的宏纤维压电复合材料进行退化试验的过程具体是对所述压电梁上的宏纤维压电复合材料施加单一载荷或综合载荷，使宏纤维压电复合材料的性能产生退化。

4.根据权利要求3所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，所述综合载荷包括至少两个不同种类的单一载荷，所述单一载荷为预设次数的力载荷、电压或预设时间的温度载荷。

5.根据权利要求1所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，获取经过退化试验后的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，包括以下步骤：

先向经退化试验后的压电梁施加正弦测试载荷；

采集所述经退化试验后的压电梁上宏纤维压电复合材料的电压输出信号数据；

基于设计的测试夹具将所述退化试验后的压电梁夹持为悬臂梁形式形成压电悬臂梁；

向所述经退化试验后的宏纤维压电复合材料输入高压测试信号，采集所述经退化试验后的压电悬臂梁根部应变响应数据。

6.根据权利要求1所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，获取宏纤维压电复合材料电压输出信号数据用于表征宏纤维压电复合材料的传感性能，压电悬臂梁根部应变响应数据用于表征宏纤维压电复合材料的作动性能。

7.根据权利要求1所述的一种宏纤维压电复合材料的性能退化测试方法，其特征在于，对退化前后宏纤维压电复合材料性能数据对比分析是根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果；

其中，根据所述退化前后采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定宏纤维压电复合材料的性能退化结果的步骤包括：

对比所述退化前后所采集的宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据，确定退化前后所述宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异；

根据所述退化前后宏纤维压电复合材料电压输出信号及压电悬臂梁根部应变响应数据的差异，确定所述宏纤维压电复合材料的性能退化测试结果。