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橡胶垫板对于缓冲高速列车通过时产生的振动冲击具有重要的作用,然而长期服役以及阳光、雨水等环境的影响,会导致橡胶老化,减震效果降低,进而破坏混凝土轨枕,影响列车的正常运行,因此实时监测橡胶的老化程度并及时更换是保证列车安全运行的保障。传统的橡胶老化性能的监测技术只适用于实验室测试,不能用于日常的持续监测中。在本文中,我们介绍了一种基于锆钛酸铅(PbZr0.52TTi.48O3,PZT)的柔性压电传感器,可以实现实时在线监测动态冲击应力,及时感知橡胶垫板的老化程度。首先以PZT压电纤维制备了柔性压电传感器,可感知不同程度的动态应力/应变和频率。此外,为进一步提高电信号输出,通过掺杂碳纳米管(CNT)、采用叉指电极排布方式、增大器件面积等方式进一步优化传感器的性能。最后将优化后的传感器用于搭建橡胶垫板老化程度的监测系统,获得橡胶垫老化程度与电压的关系。具体研究内容如下:(1)PZT柔性压电纤维传感器的制备和性能研究。静电纺丝法制备了 PZT压电纤维,进行微观形貌、结构、物相等表征,采用压电力显微镜(PFM)研究了单根纤维的压电、铁电性,及其内部的自发极化现象;制备了基底/电极-压电相-电极/基底“三明治结构”的柔性PZT压电传感器,研究其在不同负载、频率、应变、应力下的动态响应特性及其稳定性和持久性。(2)PZT基柔性压电传感器性能优化研究。三步递进式优化方案包括:掺杂碳纳米管CNT和PDMS制成PZT/CNT/PDMS压电复合传感器、采用叉指电极排布方式以及增大有效面积。进行性能表征和对比,并探讨这些因素对传感器性能的优化机理。(3)基于柔性压电传感器的橡胶老化程度监测研究。将柔性压电传感器放置于橡胶垫板正下方,设计刚性小球从同一高度自由下落到老化程度不同的橡胶垫板上,模拟列车经过时橡胶垫板受到的瞬时冲击力的过程。基于“压电效应”和该过程的物理模型,获得橡胶老化程度和电压信号的线性关系。另外,考虑到实际应用中,压电传感器的置入是否对已有橡胶垫板力学性能有影响,研究了布置传感器后,橡胶垫板静刚度变化。为该技术的推广应用奠定基础。