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表面沉积局限面积NiTi薄膜的PZT材料的频率响应特性

作　者: 张玉姣
导　师: 刘庆锁
学　校: 天津理工大学
专　业: 材料学
关键词: 模板 局限面积 NiTi SMA/PZT材料传感器 频率响应 结构健康监测系统
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 21次
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内容摘要


本文利用模板,采用磁控溅射法在PZT基体上溅射沉积局限面积的NiTi SMA薄膜,运用SEM、显微硬度测试与阻抗分析等研究了所制备材料的显微组织结构、力学性能及电学性能。实验发现,当模板型腔间距固定为L=1mm、型腔宽度M≤2.0mm时,非连续NiTi SMA薄膜组织具有良好的等轴晶组织结构。在固定薄膜间距1mm条件下,随M的增加, NiTi SMA薄膜的组织从等轴晶结构向柱状晶结构变化。制备材料的力学性能测试表明,随型腔宽度M递增,膜基结合强度依次减小;等轴晶NiTi SMA薄膜试样的断裂韧性较柱状晶试样提高2倍以上;沉积有等轴晶NiTi SMA薄膜试样的阻尼材料的阻尼值较PZT材料略有下降。制备材料的介电性能测试显示,沉积有等轴晶结构的NiTi SMA薄膜的PZT材料与纯PZT相比,两者的介电损耗水平接近,介电常数较纯PZT升高17.7%,NiTi SMA薄膜的沉积对于PZT材料的介电性能并无损害。构建起了基于所制备的NiTi SMA/PZT材料传感的适于建筑工程结构健康状态监测的“监测系统”:该系统中传感器由所制备的NiTi SMA/PZT材料构成,传感器以粘贴方式与建筑结构集成;通过由采集卡、电荷放大器及滤波器等构成的电路系统进行数据的采集与处理;采用Visual B 6.0自主编制的软件系统进行测试系统的监控。监测结果表明,此监测系统的响应范围处于半径800mm的范围,反应速度在毫秒级,响应频率在0-1000赫兹,适于监测建筑工程结构的裂纹损伤状态。本论文采用激励试验进行建筑梁结构裂纹损伤状态测试;采用频谱分析方法探讨所构建的“监测系统”的裂纹状态评价机制。固定频率激励状态下,响应特征峰的位置状态变化直接反映结构裂纹状态变化;偏心激励产生的响应特征峰随裂纹远离结构中心峰强降低。荷载车辆运动激励响应测试发现,载车监测车速与实际车速基本接近;信号能量密度随载车配重的增加呈现出非线性的增加,出现裂纹时,能量密度下降,随着裂纹的逐步扩展,能量总值递减。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 结构健康监测  10-13
    1.1.1 结构健康监测含义表述  10-11
    1.1.2 结构健康监测研究现状  11-13
  1.2 铁电陶瓷PZT  13-16
    1.2.1 PZT 的晶体结构  14
    1.2.2 PZT 的压电性能与应用  14-15
    1.2.3 PZT 的力学性能及增韧研究  15-16
  1.3 NiTi 形状记忆合金薄膜  16
  1.4 选题的目的意义及研究内容  16-19
    1.4.1 本课题的目的与意义  16-17
    1.4.2 本课题研究内容  17-19
第二章 实验方法、原理及过程  19-27
  2.1 实验过程  19
  2.2 模板的设计  19-20
  2.3 试样制备  20-21
    2.3.1 溅射基体与靶材的选取  20
    2.3.2 基体表面预处理  20
    2.3.3 磁控溅射沉积NiTiSMA 薄膜  20-21
    2.3.4 试样晶化处理  21
  2.4 试样组织结构分析  21
  2.5 试样性能测试  21-23
    2.5.1 结合力测试  21-22
    2.5.2 断裂韧性测量  22
    2.5.3 阻尼性能测试  22
    2.5.4 介电性能测试  22-23
  2.6 构建基于制备材料的监测系统  23-27
    2.6.1 传感器集成  23
    2.6.2 传感器布设  23
    2.6.3 传感器粘贴技术  23-24
    2.6.4 电荷放大器与低通滤波电路  24
    2.6.5 软件开发设计  24-25
    2.6.7 激振设备选取与制作  25-27
第三章 材料组织结构及性能分析  27-39
  3.1 薄膜显微组织结构分析  27-30
    3.1.1 不同局限面积下NiTiSMA 薄膜的物相分析  27
    3.1.2 不同局限面积下试样组织结构分析  27-30
  3.2 试样力学性能分析  30-33
    3.2.1 结合力分析  30-32
    3.2.2 断裂韧性分析  32-33
  3.3 试样阻尼性能分析  33-36
  3.4 试样介电性能分析  36-39
    3.4.1 介电常数分析  36-37
    3.4.2 介电损耗分析  37-39
第四章 监测系统的测试与评价  39-48
  4.1 监测系统的固定频率激励响应特性  39-44
    4.1.1 测试系统响应范围  40-41
    4.1.2 结构健康状态（裂纹存在状态）响应特征  41-44
  4.2 监测系统的荷载车辆激励响应特性  44-48
    4.2.1 交通路面车速监测  44-45
    4.2.2 路面车辆重载监测  45-48
结论  48-50
参考文献  50-55
发表论文和科研情况说明  55-56
致谢  56-57

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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