压电陶瓷纤维复合材料以压电陶瓷纤维和聚合物基体复合而成，其既保留了压电晶体材料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，且具有单向性能突出和可设计性强等特点，被广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康监测和能量采集等众多领域，是压电复合材料当前研究的热点。　　本文以 PZT系列压电陶瓷粉为原材料制备压电陶瓷纤维，研究单根压电纤维在外场作用下的应变性能响应及相关响应机制；以MFC结构压电陶瓷纤维复合材料为研究对象，以均匀场理论模型为基础，采用有限元分析法对MFC结构进行设计和优化，从理论上探索压电叉指电极结构、压电复合结构层和复合材料各组元的性能参数等与MFC应变性能之间的相关性；根据优化的MFC设计方案制备PZT系列压电陶瓷纤维复合材料，研究不同驱动电压条件下MFC的驱动性能，并探索其驱动响应机制。本论文的研究工作和主要结论如下：　　1、采用塑性聚合物法和切割法制备了不同截面形状的PZT-5H和PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷纤维，并表征了单根压电纤维的性能，研究了单根压电陶瓷纤维在外加电场强度和频率、温度及压应力等外场条件的应变特性，研究表明，不同外场作用下压电纤维呈现不同的极化响应机制和应变特性。对PZT-5H纤维而言，纤维的应变随外加电场强度的增加近似线性增加，其有效压电系数在矫顽场附近2 kV/mm时达到最大值2225 pm/V；随着外加电场频率的增加，纤维的应变随之增加，当频率达到20 Hz时应变趋于稳定；在测试温度范围内，随着温度的升高，纤维的应变持续增加；随着轴向压应力的不断加大，纤维应变先增加后减少，当预应力为3 MPa时纤维应变达到最大。对PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷纤维而言，其在外场作用下应变特性与PZT-5H纤维相似，在相同条件下，PZT-5H纤维的应变性能要优于PMnS-PZN-PZT纤维。　　2、以均匀场理论模型为基础，采用COMSOL Multiphysic多物理场仿真模拟软件建立 MFC有限元模型，研究了叉指电极结构、压电复合层结构参数对MFC应变性能影响，研究表明，叉指电极结构和压电复合层结构均会影响叉指电极与压电纤维之间电场的传输，从而影响复合材料性能的发挥。在确定压电复合结构层的前提下，叉指电极宽度为压电纤维高度的1/2时MFC可获得最佳的应变性能；驱动电压确定的前提下，电极间距越小MFC应变性能越好，但纤维内部电场分布均匀性变差，影响其性能的发挥；随着压电纤维体积分数的升高，MFC应变性能快速增加，当体积分数超过0.6时变化缓慢，并逐渐趋于稳定；压电复合结构层中压电陶瓷纤维与叉指电极间聚合物的厚度、压电纤维的高度会影响MFC获得最佳应变性能时叉指电极的宽度，针对这些参数的变化需要重新设计叉指电极方案以获得MFC最佳性能与叉指电极结构之间的匹配。　　3、在压电复合层结构固定的前提下，以 MFC有限元模型为基础研究了复合材料中各组元性能参数对MFC应变性能影响，研究表明，压电纤维压电常数和介电常数及聚合物的弹性模量和介电常数等参数对MFC的应变性能会产生较大的影响。陶瓷纤维压电常数对MFC应变性能影响最大，陶瓷纤维压电常数越大，应变性能越高；聚合物相弹性模量越大，聚合物对压电陶瓷纤维的夹持作用越明显，MFC应变性能下降也越多；压电纤维和聚合物的介电常数均会影响MFC获得最佳应变性能时叉指电极结构，压电纤维和聚合物的介电常数之比越大MFC应变性能越好，同时获得MFC最优性能时电极叉指的宽度越小。　　4、以PZT-5H和PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷为功能相，以MFC有限元仿真结果为依据设计复合材料结构，采用层叠-切割法制备了不同体系的MFC压电纤维复合材料，研究了不同驱动电压条件下MFC应变特性，研究表明，驱动电压幅值、驱动电压频率和驱动电压波形均对 MFC的应变性能产生很大影响。MFC纵向和横向应变性能随驱动条件变化趋势均一致；在固定驱动电压峰-峰值Vp-p的情况下，单极驱动可以获得比双极驱动更高的应变性能和有效压电系数；在固定驱动电压最大值Vmax时，负向偏置电压Vbias越大（Vbias不超过矫顽电压），MFC应变性能越高；在矫顽电压以下，随着驱动电压的升高，单极和双极应变曲线对应最大应变值均随之升高，相应有效压电系数也随之升高，且上升速度逐渐变慢，趋于平缓；驱动电压频率越小 MFC应变性能和有效压电系数越高，随着驱动电压频率的升高，不同驱动波形的应变曲线对应的应变性能及有效压电系数均随之呈现对数下降趋势，驱动电压频率大于2 Hz后MFC的驱动性能变化趋于平缓。对两种压电体系的MFC而言，驱动电压条件变化时，二者的变化规律基本一致，在相同条件下，PZT-5H基 MFC的应变性能要高于相应PMnS-PZN-PZT基MFC的应变性能。