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含金属芯压电纤维是一种新型的压电驱动器和传感器,根据表面电极形状可以分为全电极含金属芯压电纤维(MPF)和半电极含金属芯压电纤维(HMPF)。基于结构特点,单根MPF或HMPF既可以用作驱动器,也可以用作传感器。MPF和HMPF的尺寸很小,可以方便地埋入基体结构中用作驱动器和传感器,在智能材料和结构方面有着广泛的应用前景。为了优化设计,面向工程应用,本文对MPF和HMPF的驱动、传感特性进行了较系统的研究,取得了一些有创新意义的研究成果,主要有:(1)采用能量方法,建立了MPF和HMPF的静态本构方程。由此方程,可以得到悬臂杆结构MPF受到外加电压V、轴向力F时,产生的自由端轴向位移δ、电极上产生的电荷Q,也可以得到悬臂梁结构HMPF受到外加电压V、自由端弯矩M、自由端垂直力F和均布载荷p时,HMPF产生的自由端偏转角α、自由端横向位移δ、面积位移A、电极上产生的电荷Q。(2)基于振动理论,采用平均电荷方法,建立了MPF和HMPF的动态本构方程。由此方程,可以得到悬臂杆结构MPF受到外加动态电压V、动态轴向力F时,产生的自由端动态轴向位移δ、电极上产生的动态电荷Q,也可以得到悬臂梁结构HMPF受到外加动态电压V、自由端动态弯矩M、自由端动态垂直力F和动态均布载荷p时,HMPF产生的自由端动态偏转角α、自由端动态横向位移δ、动态面积位移A、电极上产生的动态电荷Q。(3)对悬臂杆结构MPF驱动器和悬臂梁结构HMPF驱动器进行了详细研究。基于MPF和HMPF的静态本构方程,建立了驱动器的的理论模型。研究了金属芯半径和弹性模量对MPF和HMPF驱动性能的影响,驱动性能包括位移、等效力、共振频率、机电耦合系数、最大能量转换常数和最大输出机械能。(4)设计了MPF和HMPF传感器,包括MPF静态电荷型应变传感器、HMPF电荷型(电压型)动态微力传感器。基于MPF的静态本构方程和HMPF的动态本构方程,建立了传感器的理论模型;研究金属芯半径和弹性模量对传感性能的影响;并对这些传感器的性能进行了理论和实验研究。(5)基于MPF和HMPF的静态和动态本构方程,建立了MPF和HMPF的静态和动态两种测试模型,设计了MPF和HMPF的参数测试方法,并实际测试了部分MPF和HMPF样品。