PHÂN TÍCH và điểu KHIỂN tấm COMPOSITE BẰNG FEM

M CăL C
Đ ăm c .......................................................................................................Trang
Lụ L CH TRệCH NGANG .................................................................................................... i
L I CỄM N ........................................................................................................................ ii
L I CAM ĐOAN ................................................................................................................. iii
TịM T T ............................................................................................................................. iv
ABSTRACT .......................................................................................................................... v
M C L C ............................................................................................................................ vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................................. viii
DANH SỄCH CỄC B NG ................................................................................................. xi
DANH M C CỄC Kụ HI U, CH

VI T T T .............................................................. xiii

CH

NG 1: M Đ U ......................................................................................................... 1

1.1

C s khoa học vƠ thực ti n ......................................................................................... 1

1.2

M c tiêu vƠ nhi m v vƠ gi i h n đề tƠi: ..................................................................... 4

1.3

Đ it

1.4

Ph

1.5

K t c u c a lu n văn t t nghi p................................................................................... 5

CH

NG 2: T NG QUAN ................................................................................................. 6

2.1

Gi i thi u về v t li u composite ................................................................................. 6

ng vƠ ph m vi nghiên c u ............................................................................... 4
ng pháp nghiên c u: ............................................................................................ 5

2.1.1 Khái ni m: ................................................................................................................... 6
2.1.2 L ch s hình thƠnh vƠ phát tri n .................................................................................. 6
2.1.3 ThƠnh ph n vƠ c u t o v t li u composite ................................................................... 7
2.1.4 Phân lo i v t li u composite ........................................................................................ 9
2.1.5 Các ng d ng c a v t li u composite ........................................................................ 10
2.2

Gi i thi u về v t li u áp đi n. .................................................................................... 12

2.2.1 Khái ni m về hi n t

ng áp đi n ............................................................................... 12

2.2.2 L ch s hình thƠnh vƠ phát tri n v t li u áp đi n....................................................... 12
2.2.3 Phơn lo i v t li u áp đi n ........................................................................................... 14
2.2.4 Các ng d ng c a v t li u áp đi n ............................................................................. 16

vi


2.3

T ng quan về tình hình nghiên c u trong vƠ ngoƠi n

2.3.1 Tình hình nghiên c u n

c .......................................... 17

c ngoƠi .............................................................................. 17

2.3.2 Tình hình nghiên c u trong n

c. ............................................................................. 19

CH

NG 3: C S Lụ THUY T .................................................................................... 21

3.1

Gi i thi u chung về c học v t r n ........................................................................... 21

3.1.1 Lực, chuy n v , bi n d ng vƠ ng su t ...................................................................... 21
3.1.2 Nguyên lý cực ti u hóa th năng toƠn ph n............................................................... 22
3.2

Gi i thi u chung về lý thuy t t m ............................................................................. 22

3.2.1 Lý thuy t t m Kirchoff .............................................................................................. 23
3.2.2 Ph n t t m Mindlin ch u u n ................................................................................... 32
3.2.3 Ph n t t giác ........................................................................................................... 35
3.3

ThƠnh l p các ph

ng trình c b n c a v t li u áp đi n ........................................... 45

3.3.1 Các h s áp đi n ....................................................................................................... 49
3.3.2 T
3.3

ng tác đa tr

Các ph

ng c a v t li u áp đi n .................................................................. 52

ng pháp mô t đ ng học h th ng điều khi n tự đ ng ............................... 53

3.4.1 HƠm truyền đ t c a h th ng ..................................................................................... 53
3.4.2 Ph

ng trình tr ng thái mô t h th ng ..................................................................... 54

Ch

ng 4: K T QU VÀ TH O LU N ........................................................................... 56

4.1

Ph n 1 ậphơn tích t m composite: ............................................................................. 56

4.1.1 Mô hình bài toán: ....................................................................................................... 56
4.1.2 Các d li u đ u vƠo: .................................................................................................. 57
4.1.3 K t qu tính toán ng x c học trên t m v t li u Composite: ................................. 58
4.2

Ph n 2 ậđiều khi n t m composite: ........................................................................... 79

4.2.1 Điều khi n tĩnh: ......................................................................................................... 79
4.2.2 Điều khi n đ ng: ....................................................................................................... 89
Ch

ng 5: K T LU N VÀ KI N NGH ........................................................................... 98

5.1

K t lu n:..................................................................................................................... 98

5.2

Ki n ngh : .................................................................................................................. 99

TÀI LI U THAM KH O ................................................................................................. 100
PH L C .......................................................................................................................... 102

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình ..................................................................................................................... trang
Hình 2.1: S đ minh họa c u t o composite. ....................................................................... 6
Hình 2.2: C u t o c a v t li u composite l p. ....................................................................... 8
Hình 2.3: V t li u nền c a Composite ................................................................................... 9
Hình 2.4: C t c a composite ................................................................................................. 9
Hình 2.5: Composite l p ...................................................................................................... 10
Hình 2.6: M t s

ng d ng c a v t li u composite ............................................................. 11

Hình 2.7: Hi n t

ng áp đi n .............................................................................................. 12

Hình 2.8: Sự bi n d ng c a tinh th áp đi n. ...................................................................... 13
Hình 2.9: Sự t

ng tác c đi n c a v t li u áp đi n. .......................................................... 13

Hình 2.10: Tinh th áp đi n .................................................................................................. 14
Hình 2.11: Polymer áp đi n . ................................................................................................ 15
Hình 2.12: V t li u áp đi n PZT, PVDF ph bi n (composite vƠ mƠng m ng). ................. 16

Hình 2.13: T m dán actuator LaRC-MFC (trái) vƠ giƠy có th tích đi n năm 1996 ........... 16
(gi a) vƠ c p đeo có dơy đai áp đi n năm 2007(ph i). ......................................................... 16
Hình 2.14:

ng d ng v t li u áp đi n vƠo mô t ................................................................. 17

Hình 2.15: S a ch a d m b phơn l p thông qua mi ng áp đi n (PZT). .............................. 18
Hình 2.16: Đ a đi m c a elip v i sự xác đ nh vùng n t ....................................................... 19
Hình 3.1: N i lực trên ph n t t m ch u u n ...................................................................... 24
Hình 3.2: Ph n t t giác Kirchoff ..................................................................................... 26
Hình 3.3: Ph n t t giác 4 nút ........................................................................................... 36
Hình 3.4: C u ph

ng 1 đi m Gauss ................................................................................... 42

Hình 3.5: Đi m Gauss theo qui t c tích phơn 2 đi m .......................................................... 44
Hình 3.6: Sự phơn cực c a v t li u áp đi n ......................................................................... 45
Hình 3.7: Qui

c tr c vƠ s ................................................................................................ 46

Hình 3.8: Sự phơn cực c a v t li u áp đi n trong thực t .................................................... 49
Hình 3.9: Sự phơn cực bằng đi n th ................................................................................... 49
Hình 3.10: Sự phơn cự bằng lực c học ............................................................................... 50

viii


Hình 3.11: Nhi t đ ng lực học ............................................................................................. 52
Hình 3.12: S đ c u trúc t ng quát theo ph

ng trình tr ng thái c a h liên t c ............... 54

Hình 4.1: Mô hình bài toán ................................................................................................. 56
Hình 4.2: Chia l

i ph n t t m Composite (10x10). ........................................................ 58

Hình 4.3: Đ võng c a t m composite khi ch u t i [-45 45]s............................................. 59
Hình 4.4: Đ võng c a t m composite khi ch u t i [-15 15]s.............................................. 60
Hình 4.5: Đ th m i quan h gi a đ võng vƠ s ph n t trong l
Hình 4.6: Chia l

i ................................. 62

i t m composite 16x16........................................................................... 63

Hình 4.7: Đ võng t m composite khi ch u lực (l

i 16x16) ............................................. 64

Hình 4.8: K t qu phơn tích t m Composite ....................................................................... 66
Hình 4.9: Đ th m i quan h gi a w vƠ n .......................................................................... 67
Hình 4.10: K t qu phơn tích t m composite ....................................................................... 69
Hình 4.11: K t qu phơn tích t m composite ....................................................................... 70
a), b), c), d) l n l

t lƠ đ võng c a mode 1, mode 2, mode 3, mode 4 ............................... 70

Hình 4.13: Đ võng t m composite v i điều ki n biên ngƠm 2 c nh,2 c nh tự do ............. 72

Hình 4.12: Đ võng t m composite v i điều ki n biên ngƠm 4 c nh. ................................. 72
Hình 4.14: Đ võng t m composite v i điều ki n biên ngƠm 1 c nh, 3 c nh tự do ............ 73
Hình 4.15: Đ võng t m composite v i điều ki n biên 4 c nh g i tựa đ n ......................... 73
Hình 4.16: Đ võng t m composite khi ch u t i phơn b đều q = 100 N/m2. ...................... 74
Hình 4.17: Đ võng t m composite khi ch u t i t p trung P=10 N. ..................................... 75
Hình 4.18: Đ võng t m composite khi ch u 4 t i t p trung P=2.5 N

4 góc. .................... 76

Hình 4.19: Đ võng t m composite khi ch u 8 t i t p trung P=1.25 N ................................ 77
Hình 4.20: Đ th th hi n giá tr c a Q thay đ i theo t ....................................................... 77
Hình 4.21: Đ võng t m composite t i th i đi m t =1s ....................................................... 78
Hình 4.22: Đ võng t m composite t i th i đi m t =3s ....................................................... 78
Hình 4.23: Mô hình bƠi toán điều khi n tĩnh t m composite ............................................... 79
Hình 4.24: Các k t qu bƠi báo phơn tích (FEM, Ansys) ..................................................... 82
Hình 4.25: Đ võng c a t m dán 3 mi ng PZT .................................................................... 82
Hình 4.26: Đ th đ võng t i m t c t Ly/2 - a)c a bƠi báo,b) c a lu n văn. ...................... 83
Hình 4.27: Đ th đ võng t i m t c t Lx/2 - a)c a bƠi báo,b) c a lu n văn ....................... 83

ix


Hình 4.28: Mô t chuy n v t m composite có g n mi ng PZT t i tơm (center). ................ 84
Hình 4.29: Mô t chuy n v t m ........................................................................................... 84
Hình 4.30: Đ th đ võng t i m t c t x/2 ............................................................................ 85
Hình 4.31: Đ th m i quan h gi a Wmax và V ................................................................. 86
Hình 4.32: Mô hình chia l

i t m composite vƠ 3 v trí mi ng PZT ................................... 86

Hình 4.33: Chuy n v t m composite khi mi ng PZT đ t t i tơm ........................................ 87
Hình 4.34: Chuy n v t m composite khi mi ng PZT đ t t i biên dọc ph

ng x ................ 87

Hình 4.35: Chuy n v t m composite khi mi ng PZT đ t t i biên dọc ph

ng y ................ 88

Hình 4.36: Đ võng t i m t c t x/2 ...................................................................................... 88
Hình 4.37: C u nh y trong môn th thao nh y c u n
Hình 4.38: L

c ..................................................... 89

i ph n t 13x13 ............................................................................................ 90

Hình 4.39: Đ võng theo ph

ng z c a thanh ...................................................................... 90

Hình 4.40: V trí mi ng 2 mi ng áp đi n PZT ph

ng án 1 ................................................. 91

Hình 4.41: Chuy n v t m composite khi dán 2 mi ng PZT ph
Hình 4.42: V trí mi ng 2 mi ng áp đi n PZT ph

ng án 1 ........................... 91

ng án 2 ................................................. 92

Hình 4.43: Chuy n v t m composite khi dán 2 mi ng PZT ph

ng án 2 ........................... 92

Hình 4.44: B n v nhíp xe ô tô ............................................................................................. 93
Hình 4.45: Thông s v t li u c a tai nhíp composite ........................................................... 94
Hình 4.46: Thông s v t li u m t nhíp thép ......................................................................... 94
Hình 4.47: Điều ki n biên vƠ lực. ......................................................................................... 95
Hình 4.48: Chia l

i ph n t . ............................................................................................... 95

Hình 4.49: K t qu phơn tích chuy n v bằng Ansys ........................................................... 95
Hình 4.50: K t qu phơn tích chuy n v bằng Matlab .......................................................... 96
Hình 4.51: K t qu phơn tích chuy n v bằng Matlab sau khi dán mi ng PZT ................... 96

x


DANHăSỄCHăCỄCăB NG
B ng ............................................................................................................................. Trang
B ng 3.1: Xác đ nh hƠm n i suy trong h tọa đ tự nhiên ................................................ 28
B ng 3.2: Đi m Gauss vƠ hƠm trọng l

ng ....................................................................... 43

B ng 4.2: Thông s v t li u composite: (d li u bƠi báo[24]): .......................................... 57
B ng 4.3: T i trọng đ t lên t m: (d li u bƠi báo[24]) ....................................................... 57

B ng 4.4: Điều ki n biên: ................................................................................................... 57
B ng 4.5: Giá tr đ võng c a t m (e-5 m) composite khi thay đ i s l p n: .................... 60
B ng 4.6: Giá tr đ võng

các đ m n l

i tăng d n: ...................................................... 62

B ng 4.7: So sánh đ võng l n nh t c a t m composite trong tr

ng h p b trí ph

ng

s i khac nhau (a/b = 1, t =0.01 m , n= 4) ............................................................................. 66
B ng 4.8: So sánh đ võng l n nh t c a t m composite trong tr

ng h p b trí ph

ng

s i khác nhau (a/b = 1 , t =0.01 m , n= 8, 12) ...................................................................... 67
B ng 4.9: So sánh đ võng l n nh t c a t m composite trong tr

ng h p b trí ph

ng

s i khác nhau (a/b = 3,5, t =0.01 m , n= 4) .......................................................................... 70
B ng 4.10: So sánh đ võng l n nh t c a t m composite trong tr

ng h p b trí ph

ng

s i khác nhau (a/b = 3,5, t =0.01 m , n= 8, 12) .................................................................... 71
B ng 4.11: So sánh đ võng l n nh t c a t m composite trong tr
n= 4;8;12), thay đ i t l dƠi r ng(a/b=1;3;5), thay đ i ph

ng h p thay đ i s l p(

ng s i(mode =[0,90]s [30,60]s

[75,-75]s [45,0]s) .................................................................................................................. 71
B ng 4.12: B ng so sánh đ võng Wmax c a t m composite

các điều ki n biên khác nhau

khi gi nguyên các y u t khác: ........................................................................................... 73
B ng 4.13: Thông s v t li u áp đi n ................................................................................... 79
B ng 4.14: Thông s v t li u áp đi n vƠ t m điều khi n trong bƠi báo [23] ....................... 80
B ng 4.15: So sánh k t qu đi n th v i k t qu ph

ng pháp s vƠ J. F. Ribeiro and V.

Steffen [23] ........................................................................................................................... 83
B ng 4.16: So sánh chuy n v l n nh t c a t m composite đ
v i ba kích th

c gơy ra b i các mi ng PZT

c khác nhau. ................................................................................................ 85

B ng 4.17: So sánh chuy n v l n nh t c a t m composite đ

c gơy ra b i các mi ng PZT

v i các hi u đi n th khác nhau: .......................................................................................... 85

xi


B ng 4.18: So sánh chuy n v l n nh t c a t m composite đ

c gơy ra b i các mi ng PZT

v i ba v trí khác nhau: ......................................................................................................... 88
B ng 4.19: So sánh chuy n v l n nh t c a t m composite đ

c gơy ra tr

c vƠ sau khi

dán mi ng PZT: .................................................................................................................... 92
B ng 4.20: So sánh chuy n v l n nh t c a t m composite khi đ

c phơn tích bằng Ansys

và Matlab: ............................................................................................................................. 96

xii


DANHăM CăCỄCăKụăHI U,ăCH ăVI TăT Tăă
1,2,3

H tr c chính c a l p v t li u

x,y,z

H tr c chung c a t m v t li u composite l p

u,v,w

Các thƠnh ph n chuy n v theo ph

u0,v0,w0

Các thƠnh ph n chuy n v theo các ph

ψx, ψy,ψz

Các thƠnh ph n chuy n v góc quanh các tr c x,y,z

ɛx,ɛy,ɛz

Các thành ph n bi n d ng dƠi theo các ph

kx,ky,kz

Các thành ph n đ cong theo các tr c x,y,z

kxy,kxz,kyz

Các thành ph n đ cong trong các m t phẳng xy, xz,yz

� ,� , �

Các thƠnh ph n ng su t pháp trong h tọa đ x,y,z

�1,�2, �3

Các thành ph n ng su t pháp trong h tr c tọa đ 1,2,3

ng x,y,z
ng x,y,z c a m t trung bình t m

ng x,y,z

� ,� , �

Các thành ph n ng su t ti p trong h tọa đ x,y,z

�12,�13, �23

Các thƠnh ph n ng su t ti p trong h tọa đ 1,2,3

hk

Tọa đ bề m t c a l p v t li u composite

t

Chiều dƠy c a t m v t li u composite.

[C]

Ma tr n hằng s đ c ng c a l p v t li u composite trong h tọa đ 1,2,3

[C‟]

Ma tr n hằng s đ c ng c a l p v t li u composite trong h tọa đ x,y,z

[Q]

Ma tr n đ c ng thu gọn c a l p v t li u compositetrong h tọa đ 1,2,3

[Q‟]

Ma tr n đ c ng thu gọn c a l p v t li u composite trong h tọa đ x,y,z

[A],[B]

Ma tr n đ c ng m r ng

[D]

Ma tr n c ng cho u n

C

Đi n dung trên t m d n đi n

Q1

Đi n tích rƠng bu c trên t m d n đi n

Q2

Góc ph

ng s i c a l p v t li u

Đi n tích tự do trên t m d n đi n

E

Đi n tr

ng đều

ẞ

M t đ đi n tích phơn b trên t m

ɛ0

Hằng s đi n môi chơn không

xiii

ɛr

Hằng s đi n môi tuy t đ i c a v t cách đi n

P

Sự phơn cực

d32, d31

H s d n n p áp đi n c a b kích ho t

g31, g33

H s đi n áp áp đi n

k31, k33, kp,kt H s liên k t đi n c áp đi n
e31, e32

H s đi n môi c a v t li u áp đi n

c
Tx

Ma tr n đ c ng c a v t li u áp đi n
ng su t c a v t li u áp đi n theo ph

ng x

Ty

ng su t c a v t li u áp đi n theo ph

ng y

Sx

Bi n d ng c a v t li u áp đi n theo ph

ng x

Sy

Bi n d ng c a v t li u áp đi n theo ph

ng y

CE
Đề c p t i đ c ng khi đi n tr
[d], [e], [g], [h] Ma tr n hằng s áp đi n

ng lƠ hằng s

[RT], [RS]K

Ma tr n chuy n đ i quan h đ n ng su t, bi n d ng

Φ

Epe

Đi n th đ c áp vƠo b kích ho t
H s modun đƠn h i c a v t li u áp đi n

Vpe

H s poison c a v t li u áp đi n

Pmn

T i trọng h ng s

Wmn

Hằng s chuy n v

xiv


CH

NGă1

M ăĐ Uă
1.1 C ăs ăkhoaăh căvƠăthựcăti nă
Ngày nay v i sự phát tri n c a khoa học kỹ thu t lƠ y u t quy t đ nh cho sự
ra đ i c a các thƠnh tựu khoa học. Trong đó sự xu t hi n các lo i v t li u m i v i
công ngh cao đƣ vƠ đang mang l i nhiều hi u qu về kinh t vƠ nơng cao tu i thọ
lƠm vi c cho các máy móc nói chung vƠ các chi ti t c khí nói riêng.

V t li u composite lƠ v t li u đƣ đ
lơu. Nhẹ -ch c- bền- không g , ch u đ

c con ng

i sáng t o vƠ s d ng từ r t

c các y u t tác đ ng c a môi tr

ng , đó lƠ

nh ng u đi m ch y u c a v t li u composite. Sự ra đ i c a v t li u composite lƠ
cu c cách m ng về v t li u nhằm thay th cho v t li u truyền thông vƠ ngƠy cƠng
đ

c ng d ng r ng rƣi trong các ngƠnh công nghi p tiên ti n trên th gi i: hƠng

không, vũ tr , đóng tƠu, ô tô, c khí, xơy dựng dơn d ng vƠ đ

c s d ng r ng rƣi

trong đ i s ng hƠng ngƠy.
M c dù, composite lƠ lo i v t li u đƣ có từ lơu nh ng các ngƠnh khoa học về
v t li u nƠy l i vô cùng non trẻ. Khoa học v t li u composite m i đ
g n v i sự xu t hi n đ u tiên c a nó trong công ngh tên l a

c hình thƠnh

Mỹ vƠo nh ng năm

1950 c a th kỷ XX. Cho đ n nay, ngƠnh khoa học nƠy đƣ phát tri n v
không ch

Mỹ, Nga mƠ còn

các n

t b c

c công nghi p nh Anh, Pháp, Đ c, Nh t

B n,ầ
Nh ng v n đề c n đ t ra lƠ lƠm th nƠo đ xác đ nh chính xác v trí c a các v t
n t vƠ phơn tích ng x c học c a chi ti t, k t c u t m composite l p nhằm dự báo
kh năng lƠm vi c hi n t i c a k t c u đ có nh ng gi i pháp ngăn ngừa các h
h ng có th x y ra khi mƠ v t li u composite có r t nhiều đi m khác bi t so v i v t
li u kim lo i: nhẹ, đ bền riêng vƠ modun riêng cao, đ cách nhi t, cách ơm t t vƠ
cũng lƠ lo i v t li u có tính d h

ng r t cao. H n n a, đ bền vƠ tu i thọ c a các

k t c u composite ph thu c vƠo các v t li u thƠnh ph n, ph
trọng tác d ng, môi tr

ng pháp gia công, t i

ng lƠm vi c vƠ đ c bi t vƠo c p đ chính xác c a mô hình

tính toán vƠ thi t k .

1


T t c nh ng điều trên cho th y c n ph i có nh ng mô hình c học xác thực,
nh ng ph

ng pháp tính toán hi u qu , chính xác nhằm phơn tích sơu s c ng x c

học cũng nh đ bền c a các k t c u t m composite l p khi ch u tác d ng c a t i
trọng vƠ môi tr

ng. Trong nh ng th p niên g n đơy các nhƠ khoa học không ngừng

nghiên c u đ đ a ra các ph

ng pháp đ gi i quy t m t cách chính xác các v n đề

về ng x c học trên v t li u composite l p: M.W. Hyer đƣ Phơn tích ng su t
trong v t li u composite c t s i, Tans.C phơn tích sự t p trung

ng su t trong

composite l p. L.banks and D.shearman” Lý thuy t đƠn h i cho v t li u không đẳng
h

ng”. Levinson.M ắ C học thuy t đ n gi n trong k t c u t m đƠn h i”.
Nh chúng ta đƣ bi t các chi ti t d ng t m thì có chiều dƠy nh do đó khi

ch u tác d ng c a các ngo i lực thì chúng s bi n d ng, n u lƠ t i tu n hoƠn ho c có
chu kỳ thì s gơy ra rung đ ng ho c dao đ ng lƠm nh h

ng đ n k t c u c a t m

vƠ n u th i gian tác d ng lơu dƠi thì chi ti t s b m i vƠ b phá h y gơy tác đ ng
không t t đ n h th ng. Vi c ngăn ch n các dao đ ng t n t i bên trong t m
composite s giúp cho chúng không b rung đ ng vƠ giúp cho h th ng thêm v ng
ch c không b phá h y. Đ tri t tiêu ho c lƠm gi m các dao đ ng su t hi n không
mọng mu n nƠy ng

i ta đƣ dán các t m c m bi n áp đi n lên t m thép c n kh o sát

sau đó thu nh n các tín hi u từ các t m dán nƠy vƠ kích nh ng xung đi n t

ng ng

đ kh vƠ lƠm gi m các bi n d ng vƠ dao đ ng c a chúng.
Đ điều khi n đ

c các bi n d ng vƠ dao đ ng có nhiều cách khác nhau nh :

điều khi n h th ng ch đ ng, điều khi n h th ng b đ ng, điều khi n h th ng bán
ch đ ng. Điều khi n h th ng b đ ng lƠ h th ng không yêu c u ngu n năng
l

ng bên ngoƠi đ lƠm vi c, nó lƠm gi m năng l

c u c học khác nhau nh : c c u ma sát tr
các t m tinh th áp đi n đ
đ i thƠnh năng l
qua bo m ch tr

t, lò xo, t m nhíp, gi m ch n ầ N u

c dán lên c u trúc thì các tín hi u nhi u đ

ng đi n, cái mƠ có th b tri t tiêu ho c đ

c chuy n

c chuy n đ i thông

c khi h th ng c học quay l i tr ng thái ban đ u. Các lực điều

khi n c a h th ng điều khi n b đ ng đ
Do h s tiêu tán năng l
đ

ng dao đ ng thông qua các c

c s d ng từ chuy n đ ng c a k t c u.

ng l n nên kỹ thu t điều khi n b đ ng thông th

ng

c s d ng trong các ngƠnh kỹ thu t xơy dựng. Tuy nhiên, nh đƣ nói kỹ thu t

2

điều khi n b đ ng nƠy b gi i h n trong các ng d ng c a ngƠnh hƠng không vƠ ô
tô do kh i l

ng vƠ th tích c a chúng nh h

ng đ n t n s dao đ ng chung c a h

th ng.
Điều khi n h th ng ch đ ng đ

c xem nh lƠ m t trong nh ng lĩnh vực có

nhiều ý nghĩa vƠ th thách trong nghiên c u các k t c u kỹ thu t trong nh ng năm
g n đơy [5]. Điều khi n dao đ ng ch đ ng đ
cho dao đ ng c a các c u trúc đ

c xem nh lƠ m t công ngh mƠ lƠm

c gi m xu ng ho c điều khi n đ

c dao đ ng

thông qua vi c đ t các lực k , c m bi n vƠ b kích vƠo các k t c u c n kh o sát t i
nh ng ch thích h p đ tri t tiêu biên đ dao đ ng.
VƠo nh ng th p niên g n đơy ng

i ta đƣ đƠo sơu nghiên c u vƠo các v t li u

thông minh đ c bi t lƠ v t li u áp đi n. Đơy lƠ v t li u mang nhiều tính ch t quý báu
mƠ

các v t li u thông th

ng không có, v t li u nƠy s phát ra m t ngu i đi n khi

có m t ng su t c học tác đ ng vƠo nó vƠ ng
nó thì nó s sinh ra chuy n v t

c l i khi có dòng đi n tác đ ng vƠo

ng ng v i hi u đi n th đƣ đ t vƠo. Ng

i ta đƣ

ng d ng tính ch t nƠy đ điều khi n chuy n v c a các chi ti t ch u bi n d ng vƠ
rung đ ng trong c khí vƠ x y dựng.
Thi t b áp đi n (piezoelectic actuator) lƠ thích h p v i kỹ thu t k t c u v i
nh ng ng d ng đ điều khi n hình d ng, gi m dao đ ng vƠ ti ng n. C u trúc
thông minh đ
tr

c tích h p v i b kích ho t có kh năng đáp ng v i sự thay đ i môi

ng vƠ điều khi n chuy n đ ng c a c u trúc. G m áp đi n lƠ v t li u thông d ng

nh t s d ng trong c u trúc thông minh vƠ có th có s n trên bề m t c u trúc đ
quan sát trực m t phôi cao h n má kẹp kho ng 5mm r i kẹp ch t đ c ng c u trúc
h th ng.
Vi t Nam, h

ng nghiên c u về ng x c học vƠ điều khi n( mô ph ng s

cũng nh thực nghi m) c a k t c u composite áp đi n còn m i mẻ vƠ còn r t ít k t
qu đ

c công b . xu t phát từ thực t đó, đề tƠi: “Phân Tích và Điều Khiển tấm

Composite bằng FEM” đ

c nghiên c u trong lu n văn nƠy, v i mong mu n đóng

góp vƠo vi c xơy dựng vƠ phát tri n lĩnh vực nghiên c u các v n đề c học ng
d ng trên t m composite

Vi t Nam.

3


1.2 M cătiêuăvƠănhi măv ăvƠăgi iăh năđ ătƠi:
Sự thay đ i c u trúc, thƠnh ph n đ nh n đ

c các v t li u có tính năng khác nhau

theo nh mong mu n lƠ u đi m l n nh t c a v t li u composite. Vì v y, vi c mô
hình hóa vƠ tính toán s v t li u, k t c u composite l p có ý nghĩa c về lý thuy t
l n thực ti n, thu hút sự quan tơm c a nhiều ng

i. Đ c bi t, xác đ nh các ng x c

học c a v t li u khi ch u lực, còn r t ít tác gi đ a ra ph

ng pháp tính toán đ h

tr cho vi c đánh giá tình tr ng vƠ kh năng lƠm vi c c a chi ti t.
M c tiêu c a đề tƠi lƠ dựa trên c s lý thuy t t m, lý thuy t composite l p,
v t li u áp đi n đ gi i quy t v n đề : “Phân Tích và Điều Khiển tấm Composite
bằng FEM” LƠm thu t toán đ gi i quy t bƠi toán chuy n v cho t m nhằm điều
khi n chính xác, điều khi n hình d ng cho nh ng chi ti t d ng t m đ từ đó lƠm c
s , tiền đề cho quá trình thực nghi m, ng d ng vƠo s n xu t.
 Hai v n đề mƠ lu n văn s đi gi i quy t:
V năđ ăthứănh t: ti p t c phơn tích ng x t m composite
tr

ng h p: ph

các

ng s i [0,90]s [30,60]s [75,-75]s [45,0]s , điều ki n

biên thay đ i (ngƠm 4 c nh, ngƠm 2 c nh, ngƠm 1 c nh, 4 c nh g i tựa
đ n, t i thay đ i ( t i phơn b , t i t p trung, t i thay đ i liên t c).
V nă đ ă thứă hai: điều khi n tĩnh t m composite nhiều l p s d ng v t
li u áp đi n PIEZO.
Cu i cùng, tác gi s đ a ra các k t lu n về k t qu thực hi n, nêu lên các
v n đề đƣ gi i quy t đ
h

c, các v n đề còn t n đọng, ch a gi i quy t vƠ đề xu t

ng phát tri n c a đề tƠi.

1.3 Đ iăt
Đ i t

ngăvƠăph măviănghiênăcứuă
ng nghiên c u c a đề tƠi lƠ: “Phân Tích và Điều Khiển tấm

Composite bằng FEM”. Mô hình bƠi toán vƠ bƠi toán thực t g m t m composite
l pđ

c dán hai l p ho c mi ng áp đi n lên trên bề m t c a t m đ dự đoán chuy n

v c a t m composite l p v i đi n th đ
đ điều khi n đ

c kích vƠo hai b n cực c a l p áp đi n vƠ

c chuy n v c a t m composite d

4

i tác d ng c a lực tác d ng


ngoƠi. Phát tri n bi u th c phơn tích ng x c a t m m ng đ

c kích thích bằng

cách dán nh ng b kích ho t áp đi n.

Ph m vi nghiên c u: S d ng ph

ng pháp c a Navie trong vi c gi i quy t các

v n đề về xác đ nh các ng x c học trong v t li u composite còn r t m i mẻ,
đ ng th i cũng lƠ nh ng lĩnh vực r ng l n. Do v y, gi i h n c a đề tƠi ch thực hi n
trên các chi ti t đi n hình vƠ trong khuôn kh c học đƠn h i tuy n tính.
1.4 Ph

ngăphápănghiênăcứu:ăă

Nghiên c u, phơn tích lý thuy t dựa trên vi c tham kh o, tìm ki m các bƠi báo vƠ
các tƠi li u trong n

c vƠ qu c t có liên quan đ n v t li u composite vƠ v t li u áp

đi n . V i vi c gi i quy t hai v n đề chính:
-

V n đề th nh t: Xác đ nh các quan h c b n c a v t li u d h

ng.

-

V n đề th hai: Nghiên c u ng x đƠn h i c a v t li u d h

ng đ từ đó

tìm ra các ng x c học trong t m v t li u composite v i b kích ho t tinh

th áp đi n.
1.5 K tăc uăcủaălu năvĕnăt tănghi pă
Đề tƠi “Phân Tích và Điều Khiển tấm Composite bằng FEM”. g m có 5
ch

ng vƠ ph n ph l c.
-

Ch

ng 1: M đ u

-

Ch

ng 2: T ng quan

-

Ch

ng 3: C s lý thuy t

-

Ch

ng 4: K t qu vƠ th o lu n

-

Ch

ng 5: K t lu n vƠ ki n ngh

-

TƠi li u tham kh o

-

Ph l c

5


CH

NGă2

T NGăQUANă
2.1 Gi iăthi uăv ăv tăli uăcompositeă
2.1.1 Kháiăni m:ă
V t li u composite, còn gọi là V t li u compozit hay composite là v t li u t ng
h p từ hai hay nhiều v t li u khác nhau t o nên v t li u m i có tính năng h n hẳn
các v t li u ban đ u.

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu t o composite.
2.1.2 L chăs ăhìnhăthƠnhăvƠăphátătri nă

Nh ng v t li u đ n gi n đƣ có từ r t xa x a. Kho ng 5000 năm tr
nguyên, con ng

i đƣ bi t tr n nh ng viên đá nh vƠo đ t tr

c công

c khi lƠm g ch đ

tránh b cong vênh sau khi ph i n ng, vƠ đi n hình về composite chính lƠ h p ch t
đ

c dùng đ

p xác c a ng

i Ai C p. Ng

i Hy L p c cũng bi t l y m t ong

tr n v i đ t đá, cát s i lƠm v t li u xơy dựng.

Vi t Nam, ông cha ta ngƠy x a đƣ

truyền l i cách lƠm nhƠ bằng bùn tr n v i r m băm nh đ trát vƠo vách nhà, khi
khô t o đ

c l p v t li u c ng, mát vƠo mùa hè vƠ m vƠo mùa đôngầ

M c dù composite lƠ lo i v t li u đƣ có từ r t lơu, nh ng ngƠnh khoa học về

v t li u composite ch m i hình thƠnh g n v i sự xu t hi n trong công ngh ch t o
tên l a

Mỹ từ nh ng năm 1950. Từ đó đ n nay, khoa học công ngh v t li u

composite đƣ phát tri n trên toƠn th gi i vƠ thu t ng v t li u m i ngƠy nay đ ng
nghĩa v i v t li u composite.
NgƠy nay trên th gi i v t li u composite đ
trúc xơy dựng nh c u đ

ng, nhƠ cao t ng, các ph

tàu th y, ô tô đ n nh ng v t gia d ng bình th

6

c s d ng r ng r i từ các ki n
ng ti n di chuy n nh phi c ,

ng nh bƠn gh , b n t m, sƠn nhƠầ


Nh ng chi c du thuyền hi n đ i có thơn tƠu lƠm từ composite s i th y tinh, cánh
c a các máy bay h ng nhẹ vƠ th m chí c a các chi n đ u c lƠ composite s i
carbon.
Vi t Nam đ s n xu t các lo i v t li u composite s i th y tinh FRP
(Fiberglass Reinforced Polymer) thì có th s n xu t ít nhiều các lo i nhựa nền, còn
s i thuỷ tinh lƠm c t s i gia c
đ nh, thực t trong c n

ng thì hoƠn toƠn ph i nh p khẩu. Có th khẳng

c cho đ n nay v n ch a có nhƠ máy nƠo s n xu t đ

lo i v t li u nƠy. C n

c các

c ch có nhƠ máy xi măng tr ng Thái Bình, công su t

25.000 t n/năm. V t li u composite nhựa c t s i thuỷ tinh (Fiberglass Reinforced
Plastic - FRP) m i đ

c đ a vƠo s d ng không lơu nh ng đƣ nhanh chóng đ

ch p nh n. Đi n hình lƠ các dự án đƣ s d ng ng FRP nh NhƠ máy n
Qu t (30.000 m3/ ngƠy), NhƠ máy n
đ c bi t lƠ đ

ng ng c p n

c

c Dung

c khu công nghi p Ph i A (20.000 m3/ ngƠy),

c dƠi trên 80km từ h Sông ĐƠ về HƠ N i (600.000

m3/ ngƠy),ầ t t c các dự án nƠy đều s d ng s n phẩm c a Công ty C ph n

ng

s i thuỷ tinh Vinaconex (Viglafico). Chính vì v y vi c nghiên c u vƠ ch t o các
lo i v t li u tiên ti n, đ c bi t lƠ v t li u composite s i th y tinh lƠ m t yêu c u c n
thi t.
2.1.3 ThƠnhăph năvƠăc uăt oăv tăli uăcompositeă
Nhìn chung m i v t li u composite đ
gián đo n đ

c t o thƠnh g m m t hay nhiều pha

c phơn b trong m t pha liên t c duy nh t. Pha liên t c đ

c gọi lƠ

v t li u nền (v t li u k t dính) lƠm nhi m v liên k t các pha gián đo n l i. Pha gián
đo n gọi lƠ c t c a composite ph i thõa mƣn đ

c nh ng đòi h i về khai thác vƠ về

công ngh . Đòi h i về khai thác lƠ nh ng đòi h i nh yêu c u về đ bền, đ c ng,
kh i l

ng riêng, đ bền trong m t kho ng nhi t đ nƠo đó, đ bền ăn mòn trong

môi tr

ng axit, kiềm. Còn đòi h i về công ngh lƠ nh ng đòi h i về kh năng công

ngh đ s n xu t ra nh ng thƠnh ph n c t vƠ nh ng v t li u composite trên c s s
d ng nh ng c t nƠy.
V t li u composite th

ng g m nhiều l p, các l p đ

c dính l i v i nhau đ

t o thƠnh t m, trong m t l p có th g m nhiều s i ng n vƠ s i dƠi x p song song

7


v i nhau. Trong v t li u composite, thƠnh ph n ch u lực chính lƠ c t, nền có nhi m
v liên k t, b o v vƠ truyền t i trọng c học cho c t.

Hình 2.2: Cấu t o c a vật liệu composite lớp.
ThƠnh ph n c t c a composite g m có 9 lo i th ng dùng lƠ các s i ng n, các
s i dƠi đ n, các d ng s i t t ( đ

c xo n g m nhiều lo i s i v i nhau): s i th y tinh,

s i cacbon ho c s i kim lo i, m i lo i s i có tính năng u đi m, khuy t đi m vƠ
hi u qu riêng. Đ bền c a v t li u composite ph thu c vƠo hình th c s p x p s i
vƠ s l

ng s i đ

c s d ng. S i đ

100 s i, nh ng t o s i nƠy đ
se l i ng

c g p thƠnh tao s i , m i tao s i có kho ng

c g p l i thƠnh nhiều lọn. N u nh ng lọn nƠy đ

i ta gọi lƠ ch s i, nh ng lọn nƠy t o ra sự tăng c

chiều. N u mu n tăng c

ng đ bền theo hai chiều ng

c

ng đ bền theo m t

i ta s dùng ch s i d t

thƠnh v i. Trên thực t , thƠnh ph n c t luôn chi m không quá 60 - 65% th tích v t
li u composite. Theo tính toán, n u thƠnh ph n c t chi m quá liều l

ng trên gi a

chúng s n y sinh tu ng tác d n đ n sự t p trung ng su t lƠm gi m s c bền c a v t
li u.
Ch t li u nền gi vai trò cực kỳ quan trọng trong vi c ch t o ra v t li u
composite. Vì v y nên ph i đ m b o đ

c cho v t li u composite lƠm vi c trong

nh ng điều ki n khai thác khác nhau, đ m b o đ

c sự đ ng đều trong quá trình

lƠm vi c, hi u qu gi a các thƠnh ph n c t v i các d ng đ t t i khác nhau, bền v ng
khi ch u t i tr

t, ho c ch u t i

nh ng h

ng l ch v i h

ng c a các d m c t ho c

ch u t i tu n hoƠn. B n thơn v t li u nền s xác đ nh v t li u composite m i t o ra
ch u đ

c đ n nhi t đ nƠo vƠ cũng quy t đ nh kh năng ch u đựng các tác đ ng

môi tr

ng, hóa học. Chính vì v y v t li u nền có vai trò quan trọng, nên ngoƠi cách

phơn lo i nh

c u trúc ng

i ta còn gọi composite theo v t li u nền: v t li u

8


composite nền polyme, v t li u composite nền kim lo i, v t li u composite nền
cacbon, v t li u composite nền g mầ

a
a)

b

Hình 2.3: Vật liệu nền c a Composite
a) Nền kim lo i, b) Nền cacbon

b)

2.1.4 Phơnălo iăv tăli uăcompositeă
Đ phân lo i v t li u composite ng

i ta dựa vƠo các đ c đi m chung c a

chúng:
- Theo b n ch t c a v t li u nền: Composite nền polyme, g m, graphit, kim lo i,
h n h p nhiều pha.
- Theo hình học c t: Composite c t h t (thô, m n), composite c t s i (dài, ng n).

Hình 2.4

a

b

Hình 2.4: Cốt c a composite
a) Composite cốt h t, b) Composite cốt sợi

9


- Theo c u trúc v t li u: Composite t m, l p, t m 3 l p, kh i , t ongầ

- Theo ph

Hình 2.5: Composite lớp
ng pháp ch t o: Đúc, ép, đúc phun, lăn tô ầ

- Theo ph m vi ng d ng: Composite cao c p, composite kỹ thu t.
Có th phân lo i v t li u composite theo b ng sau:

Theo vật
liệu nền

Theo cấu
trúc vật liệu

Theo hình
học cốt

Theo phương
pháp chế tạo

Composite tấm,
lớp, tấm 3 lớp,
khối , tổ ong

Polyme, gốm,
graphit, kim loại
Composite cốt hạt
(thô, mịn),
composite cốt sợi
(dài, ngắn)

Theo phạm vi
ứng dụng

Composite cao
cấp, composite kỹ
thuật

Đúc, ép, đúc phun,
lăn tô

2.1.5 Cácăứngăd ngăcủaăv tăli uăcompositeă
- V t li u composite đƣ có m t l ch s
li u nƠy đ

ng d ng khá lơu vƠ ngƠy nay lo i v t

c s d ng h u h t trong t t c các lĩnh vực:

▪ Trong xơy dựng: ng

i ta ch y u dùng composite nền h u c nh

ng d n

d u khí, t m l p, pannel vách ngăn, kênh thoát hóa ch t, l p ph van công trình
th y l i, g m đ m m c u,ầ
▪ Trong ch t o máy: s d ng composite polyme đ ch t o thanh truyền vƠ
piston, kh p n i, đĩa phanh máy bay concord, khuôn đúc áp lực, các chi ti t ch u
lực, ch u ma sát, s n xu t khung xe ô tô, v tƠu, thuyền du l ch, thuyền đánh cá,ầ
composite s i g m, s i cacbon đ

c dùng đ ch t o các chi ti t lƠm vi c

cao; tr c đ m cánh qu t tuabin, máy bi n n

10

c bi n thƠnh n

c ngọtầ.

nhi t đ


▪ Đ c bi t trong ngƠnh hƠng không vũ tr do yêu c u các khí c bay vƠ các v t
th bay c n đ bền cao vƠ trọng l

ng nhẹ nên composite đ

c dùng đ ch t o

thơn, v máy bay v n t i, gh hƠnh khách, vƠ m t s chi ti t khác.

Hình 2.6: Một số ng dụng c a vật liệu composite
uăđi măcủaăv tăli uăcomposite:ă
▪ Kh năng ch t o từ v t li u nƠy thƠnh các k t c u s n phẩm theo nh ng yêu
c u kỹ thu t khác nhau
▪ Kh năng ch u nhi t vƠ ch u sự ăn mòn c a v t li u trong điều ki n kh c
nghi t c a môi tr

ng.

▪ Kh năng áp d ng r ng rƣi, tính ch t n i b t lƠ nhẹ, đ bền cao, các đ c tr ng
đƠn h i cao, bền v ng v i sự ăn mòn hóa học c a môi tr

ng, đ d n nhi t d n đi n

th p.
▪ Khi ch t o

m t nhi t đ vƠ áp su t nh t đ nh áp d ng đ

công ngh , thu n l i cho quá trình s n xu t.
Nh

căđi m
▪ Giá thành còn cao.
▪ Đ bền va đ p kém.

▪ Ch t l

ng v t li u ph thu c vƠo tay nghề công nhơn.

▪ V sinh công nghi p kém.
▪ Ch t th i khó x lý.

11

c các th pháp


2.2 Gi iăthi uăv ăv tăli uăápăđi n.
2.2.1 Kháiăni măv ăhi năt
Hi n t

ngăápăđi nă

ng áp đi n x y ra nh sau: ng

i ta tìm đ

c m t lo i ch t có tính

ch t hóa học g n gi ng g m (ceramic) vƠ nó có hai hi u ng thu n vƠ ngh ch nh ng
khi áp vƠo nó m t tr

ng đi n thì nó bi n đ i hình d ng vƠ ng

c l i khi dùng lực

c học tác đ ng vƠo nó thì nó t o ra dòng đi n. Nó nh m t máy bi n đ i trực ti p
từ năng l

ng đi n sang năng l

ng c học vƠ ng

c l i. N u nh theo chiều h

thu n, có nghĩa lƠ tác d ng lực lên v t thì s sinh ra đi n vƠ ng

ng

c l i lƠ áp đi n

ngh ch : tác đ ng hi u đi n th vƠo v t thì s sinh ra công bi n d ng lƠm bi n đ i
lực. V t li u áp đi n đ

c c u t o b i ba y u t PZT ( chì Pb, zorconi, titan ) s có

tính ch t áp đi n. ( VD: th ch anh ).
Lực tác d ng

Tr

c bi n d ng

Đi n áp thay đ i

Sau bi n d ng

Hình 2.7 : ảiện t ợng áp điện
2.2.2 L chăs ăhìnhăthƠnhăvƠăphátătri năv tăli uăápăđi nă
VƠo năm 1880 hai anh em nhƠ Pierre vƠ Jacques Curie đƣ l n đ u tiên công
b hi n t

ng áp đi n. Họ đƣ th

c hi n các thí nghi m khác nhau về tinh th c a

v t li u áp đi n nh lƠ tinh th c a khoáng tua-ma-lin, đ

ng mía, hoƠng ngọc,

th ch anh, vƠ mu i Rochelle. Các tinh th c a các ch t nƠy đƣ t o ra đi n tích bề
m t khi ch u các lực c học, nên tinh th áp đi n có hai hi u ng lƠ hi u ng áp đi n
thu n vƠ hi u ng áp đi n ngh ch. Hi u ng áp đi n thu n đ

c đ nh nghĩa nh sự

phơn cực đi n s n xu t b i sự bi n d ng c học trong tinh th thu c l p nh t đ nh.
Hi u ng áp đi n ngh ch lƠ khi 1 tinh th b bi n d ng khi có sự phơn cực đi n bằng
m tl

ng t l v i tr

ng đi n (hình 2.8, hình 2.9).

12

Hình 2.8: Sự biến d ng c a tinh thể áp điện.

Hình 2.9: Sự t ơng tác cơ điện c a vật liệu áp điện.
H i đ ng khoa học th i b y gi đƣ đ t tên c a hi n t

ng nƠy lƠ ắáp đi n” đ

nh n m nh ý nghĩa c a quá trình ng x nƠy. Trong ti ng Hy l p thì từ ắáp” có
nghĩa lƠ ắnh n”. Do đó áp đi n lƠ v t li u khi ta nh n vƠo nó m t lực nh t đ nh đ t
đ n gi i h n sinh đi n thì nó sinh ra m t đi n th t
cho nó có th phơn bi t v i các hi n t

ng ng. Thu t ng nƠy giúp

ng khác nh lƠ nhi t đi n hóa đi nầ

M c dù anh em nhƠ Curie đƣ khám phá ra hi n hi n t
hi n t

ng áp đi n nh ng đó ch lƠ

ng áp đi n thu n, khi tác d ng lực vƠo v t li u thì phát ra dòng đi n, tuy

nhiên họ đƣ không khám phá ra hi n t
Lippmann đƣ tìm ra hi n t

ng áp đi n ng

ng áp đi n ng

c. Sau đó vƠo năm 1881

c thông qua các đ nh lu t c b n c a

nhi t đ ng lực học.
Vi c khám phá ra hi n t
r ng kh p Chơu Âu vƠ sau đó đ

ng áp đi n t o ra cu c cách m ng v t li u m i lan
c nghiên c u m nh m trong su t h n 30 năm sau

đó trong kho ng chi n tranh th gi i th nh t. Vi c nghiên c u hi n t
sau nƠy đ

ng áp đi n

c xem nh lƠ ho t đ ng khoa học chính th c v i ý nghĩa thực ti n.

Cũng trong th i kỳ nƠy các nhƠ khoa học ch y u nghiên c u về quá trình chuy n

13


hóa năng l

ng thu n ngh ch c a hi n t

ng nƠy vƠ tính b t đ i x ng c a m ng tinh

th áp đi n tự nhiên v i vi c s d ng các ph

ng trình đ ng lực học.

2.2.3 Phơnălo iăv tăli uăápăđi nă
Trong s các v t li u áp đi n nh : th ch anh, Bari Titan Ôxít (BaTiO3), Chì
Titan Ôxít (PbTiO3),Cadium Sunphat (CdS), Chì Zitricona Titan Ôxít (PZT), Chì
Lantan Ziriconat Titan Ôxít

(PLZT), Chì magie nobat (Pb[Mg1/3Nb2/3]O3),

polyme polyvinylidene fluoride (PVDF) thì g m áp đi n lƠ lo i v t li u có đ giòn
cao vƠ có tính c đi n t t so v i các polyme áp đi n khác. Ph n nƠy phơn lo i các
lo i v t li u áp đi n. V t li u áp đi n đ

c phơn thƠnh các lo i sau: v t li u có m ng

tinh th đ n, g m áp đi n, polyme áp đi n, composite áp đi n, t m m ng áp đi n.


V tăli uăcóăm ngătinhăth ăđ nă

V t li u có m ng tinh th đ n bao g m th ch anh, liti nibonat (LiNbO 3) và
liti tanali (LiTaO3) hình 2.10. Chúng đ

c s d ng r ng rƣi trong khoa học kỹ thu t

hi n đ i. Chúng có m ng tinh th đ n vƠ có thu c tính khác nhau theo các ph
khác nhau k c tính ch t c a truyền sóng trong v t li u. Các v t li u nƠy đ

d ng ch y u trong thi t b

ng
cs

n đ nh t n s dao đ ng vƠ thi t b thu ơm.

Hình 2.10: Tinh thể áp điện



G măápăđi nă

G m áp đi n lƠ m t lo i v t ch t mƠ tinh th c a nó có ch a pherophit. M i
tinh th g m có m t ion kim lo i hóa tr 4 nằm bên trong l
hai ôxy hình 2.10

14

i ion kim lo i hóa tr


Ploymersăápăđi nă



Các polymer nh polypropylene, polystyrene, poly (methyl methacrylate)
và vinyl acetate cũng có tính ch t c a v t li u áp đi n. Tuy nhiên, hi u ng áp đi n
x y ra m nh m h n h t lƠ lo i polymer polyvinylidene fluoride (PVDF or PVF2).
K t c u phơn t

c a PVDF có ch a m ch l p (-CF2-CH2-)n. Sự phơn cực c a

polymer nƠy có th vĩnh c u lƠ do kỹ thu t x lý g m có kéo giãn vƠ sự ghép l p
c a các l p phơn cực v i nhau t o thƠnh kh i. Nh ng lo i polymer áp đi n này
th

ng đ

c s d ng lƠm microphone vƠ các ng d ng trong siêu ơm.

Hình 2.11: Polymer áp điện .


Compositeăápăđi nă

Composite áp đi n lƠ sự k t h p c a g m áp đi n vƠ polymer áp đi n lƠ v t
li u mang tính h a hẹn trong l

ng lai do nó k t h p thu c tính c ng c a g m vƠ

tính dẻo dai c a polymer. Lo i v t li u nƠy có nhiều u đi m, bao g m h s liên
k t cao, tr kháng ơm thanh th p, mềm dẻo về c tính. Chúng đ c bi t đ

c s d ng

trong thi t b phát hi n tƠu ng m vƠ thi t b chuy n đ i sóng siêu ơm trong chuẩn
đoán y học


MƠnăápăđi năm ngă
Zinc oxide (ZnO) vƠ aluminum nitride (AlN) lƠ các h p ch t có c u trúc

Wurtzite.ZnO có th liên k t áp đi n vƠ nó đ
là chính vƠ các thi t b SAW.

15

c s d ng trong các thi t b ơm thanh


Hình 2.12: Vật liệu áp điện PZT, PVDạ phổ biến (composite và màng mỏng).
2.2.4 Cácăứngăd ngăcủaăv tăli uăápăđi nă
Sau khi đ

c khám phá trong kho ng chi n tranh th gi i th 1 v t li u nƠy đ

nghiên c u m t cách m nh m [13].
thi t b dò tìm d

c

ng d ng chính đ u tiên c a v t li u áp đi n lƠ

i m t bi n bằng sóng siêu ơm, thi t b nƠy đ

tri n b i Paul Langevin vƠ đ ng nghi p

Pháp. VƠ sau nƠy đ

c ch t o vƠ phát
c m r ng qua

nhiều ng d ng khác n a, sau đơy lƠ m t vƠi ng d ng tiêu bi u

Hình 2.13: Tấm dán actuator LaRC-MạC (trái) và giày có thể tích điện năm 1996
(giữa) và cặp đeo có dây đai áp điện năm 2007(ph i).
Thông qua b ph n tích đi n đ t
l u tr vƠ có th đ
H th ng nƠy đ

gót giƠy (hình 2.13, gi a) thì năng l

ng đ

c

c s d ng đ chi u sáng thay cho đèn pin có công su t th p.

c c u t o từ t m áp đi n m ng PVDF.

Khi đeo c p (hình 2.13, ph i) nƠy thông qua vi c đi b lƠm co giƣn dơy đeo sinh ra
dòng đi n. Dòng đi n nƠy đ

c tích l i trong pin vƠ đ

b iPod.

16

c d ng đ x c pin cho thi t