周期性压电复合材料的动力特性研究

压电复合材料由于具有响应快、声阻抗小、机电耦合系数高、柔性好、易加工等许多优点，一经问世，便很快应用于水声、电声和超声等领域，但目前仍有许多问题亟待解决，如可用于指导复合材料换能器设计和制备的理论建模问题、方向灵敏性与侧向干扰的解耦问题等。本项目拟利用固体物理的相关理论，研究压电复合材料的动力特性。研究内容主要包括两方面。一是研究面外高灵敏度与面内干扰的完全解耦问题。首先针对1-2型、1-3型和2-2型压电陶瓷复合材料，研究完全频率带隙和方向带隙的生成问题，研究材料的物理参数和几何参数对上述两种带隙宽度和起始频率的影响，在此基础上，探索集面外高灵敏度与面内干扰完全解耦的压电复合材料换能器的设计方法。二是研究压电材料在结构减振中的应用问题。首先将工程结构的减振问题简化为几种不同形式的板和柱在不同支承条件下的减振问题，在此基础上，从完全频率带隙出发，研究压电材料在结构振动控制中的几个问题。

本项目主要在如下两方面开展了研究，一是研究了周期性压电复合材料的静动力特性、完全频率带隙和方向带隙的生成与优化、以及面外与面内振动干扰的解耦问题；二是研究了如何利用压电材料抑制梁、板等结构的振动问题。..首先针对几种不同的0-3型和2-2型以及层合型周期性水泥基压电复合材料和压电陶瓷复合材料，建立了相应的理论分析模型，研究了其静、动力学特性；通过研究材料的物理参数和几何参数对完全频率带隙和方向带隙的影响，给出了相应的面外与面内振动干扰解耦的压电复合材料换能器的设计方法；根据上述研究成果，制作了层合型周期性压电陶瓷换能器，并完成了性能测试，实测的共振和反共振频率与本项目给出的理论预测值符合很好。.其次针对梁和板两种常见工程结构，从周期性理论出发，通过外加主动控制器，采用增益反馈方法，分析了不同增益系数对周期性压电梁/板带隙的影响，进而研究了利用压电材料抑制梁/板面内振动和面外振动问题。..课题组成员通过三年不懈努力，圆满完成了本项目预期的研究内容，取得的主要成果可概况为：（1）完成SCI期刊论文十余篇（其中10篇已发表、2篇已接收、2篇在审稿中）；（2）培养博士生3名（毕业、即将毕业和在读各1名），硕士生7名（毕业5名，在读2名）；即将出版专著1部，2014年交稿科学出版社。