1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

压电陶瓷材料是一种利用压电效应来实现机械能和电能相互转换的材料，由于其本身具有脆性大、硬度高、不易变形等特点，压电陶瓷材料的应用受到了很大的限制。为了克服这种不足，美国麻省理工学院bent等人^[1]首先设计出了压电陶瓷纤维复合材料afc。afc由圆柱形的压电纤维、聚合物以及叉指电极组成，这种压电陶瓷纤维复合材料其既保留了压电晶体材料的压电特性以及高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差等不足。因此在驱动以及传感领域得到了广泛关注，在应用上也取得了巨大成功。但是由于其压电纤维的圆柱形设计导致制备成本高与应用受限等不足，因此，美国国家航空和宇宙航行局—兰利研究中心的研究者^[2]开发出了新一代的压电纤维复合材料mfc，mfc采用矩形截面压电纤维陶瓷，简化了加工过程，同时也提高了材料本身的应变性能。由于其具有一定应变性，所以可以应用于弯曲表面的传感器，如飞行器机翼等^[3]。anton等^[4]还试图利用压电陶瓷纤维复合材料实现对微型无人飞机电能的供应。

2. 研究的基本内容与方案

2. 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 基本内容

1、制备MFC并对纤维的物相与结构进行表征

利用配置好的PMNS粉末通过固相法制备压电陶瓷，利用切割-填充法^[12]制备压电纤维复合材料。

采用X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）等对其进行物相与结构测试表征。

2、测试MFC的电学输出性能

对制备的MFC通过阻抗分析仪和铁电测试仪等设备进行测试分析。搭建实验平台，在相同的水流速度、阻流体、压电单元位置等情况下，进行压电能量收集的性能测试。用于压电能量收集器的压电复合材料的电学性能主要由三个指标进行体现：开路输出电压（VOC）、短路输出电流（ISC）和瞬态功率密度（PI）。

2.2 研究目标

1、基于PMNS制备压电纤维复合材料MFC；

2、设计一种涡流振动能量采集装置，基于MFC搭建能量测试系统，通过优化MFC的性能参数，提高能量收集效果。

2.3 技术方案

1、试剂与仪器：

试剂：氧化铅、氧化锆、二氧化钛、Sb₂O₃、二氧化锰、五氧化二铌、氧化锌、丙三醇、聚乙烯醇（分子量1750±50）等

仪器：

2、实验方案：

（1）烧制PMNS陶瓷。

（2）利用金刚石直线切割机切割后向缝隙中填充环氧树脂，然后在真空干燥期内放置24h；固化后再用金刚石直线切割机切割成所需的压电纤维复合材料片。

（3）封装。选择合适的叉指电极用环氧树脂对上述得到的压电纤维复合材料片进行封装。封装后压实，然后在真空干燥期内放置24h。

（4）对MFC进行极化。

（5）对MFC进行性能及参数测试。

（6）对压电纤维进行表征并搭建平台进行性能测试。

3、表征与分析：

通过XRD、SEM等表征手段对压电纤维的物相，微观结构进行分析。

3. 研究计划与安排

3．进度安排

第1—3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译；整理资料，在任务书的基础上，明确研究内容，设计研究方案，确定实验技术路线，了解研究所需原料、仪器和设备，了解相关的结构和性能的测试方法，并完成开题报告；

第4－9周：按照设计方案，制备压电纤维复合材料，优化制备工艺，熟悉制备流程；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]bent a a, hagood n w. piezoelectric fiber compositeswith interdigitated electrodes[j], journal of intelligent material systems and structures,1997, 8: 903~919.

[2] williams r b. nonlinear mechanical and actuation characterizationof piezoceramic fiber composites[d]. virginia polytechnic institute and state university,1999.

[3] bilgen o,kochersberger k b, inman d j. macro-fiber composite actuators for a swept wing unmannedaircraft[j]. the aeronautical journal, 2009, 113(1144):385-395.