壓電復(fù)合材料

1、壓電復(fù)合材料壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在 它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這 種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介 質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失， 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱 為壓電傳感器。壓電復(fù)合材料研究概況壓電材料由于具有響應(yīng)速度快、測量精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而成為智能材料結(jié)構(gòu)中廣 泛應(yīng)用的傳感材料和驅(qū)動材料。但是，由于存在明顯的缺點，在實際

2、應(yīng)用中收到了極大的限 制。例如，壓電陶瓷的脆性很大，經(jīng)不起沖擊和非對稱受力，而且其極限應(yīng)變小、密度大， 與結(jié)構(gòu)粘合后對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會產(chǎn)生較大的影響。壓電聚合物雖然柔順性好，但是它的使 用溫度范圍小，而且其壓電應(yīng)變常數(shù)較低，因此作為驅(qū)動器使用時驅(qū)動效果差。為了克服上 述壓電材料的缺點，人們開發(fā)了壓電復(fù)合材料。由于壓電復(fù)合材料不但可以克服壓電材料的 缺點，而且還兼有有機(jī)高分子與無機(jī)材料兩者的優(yōu)點，甚至可以根據(jù)使用要求設(shè)計出單項壓 電材料所沒有的性能，因此越來越引起人們的重視。壓電復(fù)合材料是有壓電相材料與非壓電相材料按照一定的連通方式組合在一起而構(gòu)成 的一種具有壓電效應(yīng)的復(fù)合材料。壓電復(fù)合材料的特

3、性以及各種性能主要由各項材料的連通 方式?jīng)Q定。按照各相材料的連通方式，壓電材料可以分為10種基本類型，即0-0、0-1、0-2、 0-3、1-1、2-1、2-2、2-3、1-3、3-3 型。迄今為止，壓電復(fù)合材料的發(fā)展已有20多年的歷史，1978年，Newnham首次提出了 壓電復(fù)合材料的概念，并開始研究壓電復(fù)合材料在水聲中的應(yīng)用，研制成功了 1-3型壓電復(fù) 合材料。在此基礎(chǔ)上美國斯坦福大學(xué)的Auld等人建立了 PZT柱周期排列的1-3型壓電復(fù)合 材料的理論模型，并分析了其中的橫向結(jié)構(gòu)模型；紐約菲利普斯實驗室的W.A.Smith等人用 1-3型壓電復(fù)合材料做成了用于醫(yī)學(xué)圖像處理的超聲換能器，取

4、得了較好的效果。在隨后的 數(shù)年中，許多國家的科研機(jī)構(gòu)也相繼開展了壓電復(fù)合材料的研究工作。雖然壓電復(fù)合材料的研究和應(yīng)用已取得了很大的進(jìn)展，但是從總體來看，還很不成熟， 正處于發(fā)展階段。首先，作為一種功能材料，其應(yīng)用范圍還很狹窄，根據(jù)目前的研究論文和 報道來看，其應(yīng)用主要集中在超聲檢測領(lǐng)域，而在其他的領(lǐng)域的應(yīng)用則幾乎未見報道，因此， 如何拓寬壓電復(fù)合材料的應(yīng)用應(yīng)該是當(dāng)前的一個研究方向。其次，從目前的研究狀況來看， 還沒有建立一套完整的壓電復(fù)合材料的力-電耦合理論及微觀力學(xué)模型，使人們對于如何根 據(jù)工程應(yīng)用來設(shè)計壓電復(fù)合材料缺乏必要的理論依據(jù)，因此，根據(jù)壓電復(fù)合材料的力學(xué)電學(xué) 特性及損傷、破壞機(jī)制建

5、立正確的力-電耦合理論及微觀力學(xué)模型是目前壓電復(fù)合材料研究 領(lǐng)域中的一個熱門話題，另外，由于智能材料結(jié)構(gòu)以成為目前材料界發(fā)展的一個重要的方向， 而壓電復(fù)合材料由于性能優(yōu)良且具有可設(shè)計性，這使得它必然會成為只能是材料結(jié)構(gòu)中的首 選傳感材料甚至驅(qū)動材料，因此，研究壓電復(fù)合材料在智能結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用也是其發(fā)展的一 個重要方向。壓電復(fù)合材料有10中基本類型，但是綜合性能較好、最適合在智能材料結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的 壓電復(fù)合材料主要有0-3型、1-3型、3-3型。壓電復(fù)合材料的制造方法1-3型壓電復(fù)合材料是由一維的壓電陶瓷柱平行于排列于三維連通的聚合物中而構(gòu) 成的兩相壓電復(fù)合材料。在1-3型壓電復(fù)合材料中，由于聚合

6、物相得柔順性遠(yuǎn)比壓電陶瓷相 好，因此當(dāng)1-3型壓電復(fù)合材料受到外力作用時，作用于聚合物相的應(yīng)力將傳遞給壓電陶瓷 相，造成壓電陶瓷相得應(yīng)力放大；同時，由于聚合物相的介電常數(shù)極低，是整個壓電復(fù)合材 料的介電常數(shù)大幅降低。這兩個因素綜合作用的結(jié)果是壓電復(fù)合材料的壓電電壓常數(shù)g得到 了較大幅度的提高，并且由于聚合物的加入使壓電復(fù)合材料的柔順性也得到了顯著地改善， 從而使材料的綜合性能得到了很大的提高。在1-3型壓電復(fù)合材料中，壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)是影響其性能的一個重要參數(shù)。一些 實驗結(jié)果表明：隨削 的增加，壓電復(fù)合材料的壓電常數(shù)幾乎呈線性增加，當(dāng)p 40%時增 幅趨于平緩并接近與壓電陶瓷的壓電常數(shù)，而壓

7、電復(fù)合材料的介電常數(shù)則幾乎隨著的增大 而一直呈線性增加。另外，壓電陶瓷柱的形狀參數(shù)0/t的增大，壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)呈 上升趨勢。1-3型壓電復(fù)合材料的制作方法一般采用兩種基本方式，即排列澆鑄法和切割澆鑄法。 排列澆鑄法是較早采用的一種制作方法，這種方法是將壓電陶瓷棒是先在莫班上插排好，然 后向其中澆注聚合物，固化之后再經(jīng)切割成片、鍍電極、極化及形成1-3型壓電復(fù)合材料； 切割澆鑄法是沿與壓電陶瓷塊極化軸相垂直的兩個水平方向上通過準(zhǔn)確的切割，在陶瓷塊上 刻出許多深槽，然后在槽內(nèi)澆注聚合物，固化之后將剩余的陶瓷基體切除掉，經(jīng)鍍電極、極 化之后即形成1-3型復(fù)合材料。另外，為了進(jìn)一步提高壓電復(fù)合

8、材料的壓電電壓常數(shù)g，Lynn 等人還開發(fā)了 1-3-0型壓電復(fù)合材料。這種壓電復(fù)合材料是在1-3型復(fù)合材料的基礎(chǔ)上引入 一些氣孔來減弱聚合物相的泊松耦合效應(yīng)，從而使壓電陶瓷相的應(yīng)力放大作用得到進(jìn)一步的 增強(qiáng)。雖然1-3型壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d和機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)k低于壓電陶瓷，但是它的 壓電電壓常數(shù)和柔韌性卻得到了明顯的改善。0-3型壓電復(fù)合材料市值在三維連通的聚合物基體中均勻填充壓電陶瓷顆粒而形成 的壓電復(fù)合材料。在0-3型壓電復(fù)合材料中，壓電陶瓷想呈顆粒狀均勻分布，因此它的電場 通路的連通性明顯差于1-3型壓電復(fù)合材料，而且使得復(fù)合材料中形不成壓電陶瓷相的應(yīng)力 放大作用。這樣，同純壓電陶

9、瓷和1-3型壓電復(fù)合材料相比，0-3型壓電復(fù)合材料的壓電變 常數(shù)d就要低得多；但是，由于0-3型壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)極低，因此它的壓電電壓常 數(shù)g仍然較高，而且它的柔順性能也遠(yuǎn)比壓電陶瓷的好，因此其綜合性能要優(yōu)于純壓電材料。0-3型壓電材料的制作工藝：首先將壓電陶瓷制成粉末狀，然后將陶瓷粉末與聚合物混 合均勻并加入適量的熔劑攪拌均勻，待有機(jī)溶劑完全揮發(fā)后模壓成型，再經(jīng)固化、切割、鍍 電極、極化之后即形成0-3型壓電復(fù)合材料。影響0-3型壓電復(fù)合材料性能的參數(shù)較多，其中，壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)p是一個重要的 參數(shù)，研究表明，當(dāng)p 60%時，復(fù)合材料的壓電常數(shù)極低，只有弟超過60%時復(fù)合材料 的壓電

10、常數(shù)才會迅速增加。但是，如撕值過大，復(fù)合材料難以成型，因此，理想的)值約 為60%-70%。p對復(fù)合材料的介電常數(shù)也有較大的影響，隨著p的增大，幾乎線性地 增大。同1-3型壓電復(fù)合材料相比，0-3型壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d和壓電電壓常數(shù)g 不高，但是其柔韌性更好，而且與PVDF相比，其綜合性能不相上下，但是其制備工藝卻 更簡單，成本也更低，更適合批量生產(chǎn)。因此，0-3型壓電材料是一種在性能上可以替代壓 電陶瓷和PVDF而制造成本卻更低的新型壓電傳感材料，將來必然會在只能材料結(jié)構(gòu)中得 到廣泛應(yīng)用。3）3-3型壓電復(fù)合材料是指聚合物相和壓電相在三維空間內(nèi)相互交織、相互包絡(luò)各自 形成的一種空間網(wǎng)

11、絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般聚合物相采用環(huán)氧樹脂或者硅橡膠。這種3-3型壓電復(fù)合材 料與傳統(tǒng)的實心壓電陶瓷相比，具有很多的優(yōu)點。首先，3-3型壓電材料的靜水壓靈敏度特 別高。其次，3-3型壓電復(fù)合材料具有較低的體積密度，當(dāng)PZT陶瓷相的體積分?jǐn)?shù)為50%時， 3-3型復(fù)合材料改善了它與水之間的聲阻抗率匹配和耦合。一般3-3型壓電復(fù)合材料采用BURPS （有機(jī)物燒去法）工藝制備，其步驟是：將塑料 球粒與壓電陶瓷粉末在有機(jī)粘結(jié)劑中均勻混合，燒結(jié)后形成多孔陶瓷框架網(wǎng)絡(luò)；然后再填充 聚合物，經(jīng)固化、磨平、上電極后即形成3-3型壓電復(fù)合材料。壓電材料應(yīng)用4.1換能器換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動

12、的器件。壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計則利用了聚合物壓電 雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、 立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的 特點，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、 寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列 和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定 要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、

13、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截 面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級相同等特點，最后一個特點使得由壓電聚合物制備的水聽 器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。 而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性 能。壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、 PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。4.2壓電驅(qū)動器壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動，聚合物驅(qū)動器主要以聚 合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利

14、用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū) 動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實際應(yīng)用， 還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng) 變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動下， 利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在 系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減 振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。4.3傳感器上的應(yīng)用壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳

15、感器的基 本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時要特別注意，避免漏電。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié) 構(gòu)堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我 恢復(fù)較慢。壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，并引出引線。 在壓電晶片上放置一個質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后 用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了 隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選 用由剛度較大的

16、材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動力作用時，由于基座 和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量 塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有 一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個 表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器給輸出 電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到 前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度;如果

17、在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e 分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。4.4在機(jī)器人接近覺中的應(yīng)用機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要 的信息，為下一步運(yùn)動做好準(zhǔn)備工作；其二，探測機(jī)器人手和足的運(yùn)動空間中有無障礙物。 如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大 致信息。超聲波是人耳聽見的一種機(jī)械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率 范圍只是20HZ20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播， 機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測 周圍環(huán)

18、境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。它的工 作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出 一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開 始計時。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路 停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。 利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單， 即聲波傳播時間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整

19、個工作過程都是在控 制電路控制下順序進(jìn)行的。壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、 濾波器等。壓電材料新應(yīng)用5.1 “人群農(nóng)場”為火車站供電兩名波士頓的研究生正在歐洲進(jìn)行一項火車站設(shè)計工程，他們最近有了個奇怪的想法一 一把人的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電能。他們的“人群農(nóng)場”將會利用人們走動時地板的滑動來產(chǎn)生電。這兩名年輕人是美國麻省理工學(xué)院建筑和規(guī)劃系的James Graham和Thaddeus Jusczyk。 他們正在意大利都靈進(jìn)行一項火車站的模型設(shè)計。Graham說：“在設(shè)計時，我們試圖就近尋 找資源，就產(chǎn)生了這個想法。這是一個振動的空間，有很多人，所以我們想捕獲

20、所有的運(yùn)動， 把它們轉(zhuǎn)化成能量?！睋?jù)ENR網(wǎng)站報道，他們最初的想法比較簡單，后來決定用人的腳步。Graham介紹說， 歐洲曾有一家建筑公司為一家舞蹈俱樂部設(shè)計的地板就是利用壓電（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能）技 術(shù)產(chǎn)生能量給電燈供電?！拔覀兊倪@個火車站有3/4英里乘1/4英里大小，但是能用于發(fā)電 的部分很集中，很適合這種工程?！贝髲d和斜坡使用的動力地板系統(tǒng)有很大的節(jié)能潛力。Graham和Jusczyk估計，理想狀 況下人的一步能使兩盞60瓦的燈泡亮一秒鐘。而一群人的腳步，或者拖行李的壓力能讓人 的行動產(chǎn)生的動態(tài)能量成為一種新的、便宜又干凈的能源?！拔覀儾⒉粌H僅是想發(fā)明一種可 以用在某些地方的高科技墊子，我

21、們是想真正把它結(jié)合到建筑系統(tǒng)中。”5.2發(fā)電地板Graham和Jusczyk的想法還停留在理論階段，但已經(jīng)有人把理論付諸于現(xiàn)實了。這個 人就是美國芝加哥的自由設(shè)計師Elizabeth Redmond。Redmond在負(fù)責(zé)一項名為“能源飛躍”的工程。在這項工程中，地板磚就是用可以發(fā) 電的材料制成的?！拔业脑O(shè)計是使用2英寸乘1英寸由鋯酸鉛制成的壓電陶瓷板，上面裝有 黃銅覆蓋的鎳電極，這樣電流滲漏很低。” Redmond介紹說，每1英尺乘1英尺的地面上有 這么一塊板，當(dāng)有人踩過一塊板，可以產(chǎn)生5.5瓦的電能。Redmond去年在美國密歇根州Ann Arbor鬧市區(qū)的人行道上試驗了她的設(shè)計。工作裝置

22、是4塊2英尺乘4英尺的壓電板，周圍是普通的水泥板。這些壓電板內(nèi)部安裝了 4個發(fā)光二 極管，只要有人踩上就會被點亮。這樣參與者就可以看見他們的運(yùn)動確實產(chǎn)生了電。這個試 驗?zāi)Ｐ突ㄙM(fèi)了 1000美元，不包括人力。Redmond表示最大的花費(fèi)在于壓電材料，但如果壓 電板能大量生產(chǎn)，只要有人在內(nèi)部或者附近走動，它們就可以用于建筑物、街道和霓虹燈的 照明。Redmond現(xiàn)在正在進(jìn)行她的下一代設(shè)計，她從Mohawk Industries 一家專營家用和 商業(yè)地板的大型公司那里獲得了1萬美元的資助，用來研究瓷磚、材料和最優(yōu)的安裝尺寸之 間的關(guān)聯(lián)。Redmond表示這代產(chǎn)品可能今年10月就會面世。5.3發(fā)電背包為便攜式電子設(shè)備供電密歇根理工大學(xué)機(jī)械工程師Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亞利桑那州立大學(xué)的 Henry Sodano和NanoSonic公