壓電結(jié)構(gòu)纖維及復(fù)合材料

-.z.BreiD,CannonBJ.Piezoceramichollowfiberactiveposites[J].positesScienceandTechnology,2004,64(2):245-261.圖1中空壓電纖維一、背景介紹一般壓電纖維復(fù)合材料中的壓電纖維為實心截面，當驅(qū)動該類壓電復(fù)合材料時，電極放在基體表面，電場因需要穿透非導(dǎo)電基體因而其達到壓電纖維時產(chǎn)生大的損耗，因而需要高的驅(qū)動電壓。另外，該類復(fù)合材料的基體必須用不導(dǎo)電材料，這限制了其的應(yīng)用*圍。中空壓電纖維復(fù)合材料可以降低驅(qū)動電壓，并且基體材料選擇廣泛，可以涵蓋不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂和各類導(dǎo)電的金屬材料。本文討論了中空圓環(huán)形截面壓電纖維的制造和應(yīng)用，以及纖維和基體模量比、中空纖維壁厚與半徑比及纖維體積分數(shù)對此類復(fù)合材料性能、制造及可靠性問題。Thin-wall纖維最理想，但存在嚴重的可靠性問題?？傊瑢χ锌諌弘娎w維復(fù)合材料，要同時考慮壓電纖維品質(zhì)、制造及可靠性問題?？招膲弘娎w維復(fù)合材料驅(qū)動用31模式，實心壓電纖維復(fù)合材料用33模式。盡管31模式縱向應(yīng)變比33模式小一半，但所需驅(qū)動電壓僅需33模式的1/10或更少。傳統(tǒng)的制備技術(shù)可以制備出壁厚在壓電材料晶粒尺寸量級的中空纖維，但是長度僅有10mm或更短?；旌瞎矓D技術(shù)可以制備100mm以上的空心纖維。目前對中空壓電纖維復(fù)合材料的研究大多限于利用短纖維的徑向應(yīng)變（水聲聽音設(shè)備），本文則研究利用縱向應(yīng)變。目前對中空纖維的研究主要內(nèi)容如下：(1)纖維壁內(nèi)的電場分布(2)電場和應(yīng)變之間的關(guān)系。本文主要研究(3)纖維和基體模量比、中空纖維壁厚與半徑比及纖維體積分數(shù)對此類復(fù)合材料性能、制造及可靠性影響(4)中空纖維質(zhì)量對復(fù)合材料制備和性能的影響。二、單個纖維及層板的有效性質(zhì)中空纖維中的電場：thin-wallappro*imation在這篇文獻里沒有提到這個公式是近似的，還用這個公式計算了各種厚度的中空纖維的電場，但在后面Lin和Sodano的文獻中，似乎說為近似的。在一般情況，由該表達式電場內(nèi)表面大外表面小，最大與最小差值隨增加而增大，這樣在外表面達到極化時，內(nèi)表面處材料有可能由于大的電場產(chǎn)生的應(yīng)力而損壞。同樣在驅(qū)動中空纖維時，在外表面難以達到最大工作電壓。因此，小的中空纖維是一個好的選擇。纖維有效：，隨著的增加而降低，即薄壁中空纖維可以產(chǎn)生高的應(yīng)變。單層有效：討論：(1)纖維密度(纖維數(shù)/能放入的最大纖維數(shù))代替纖維體積分數(shù)，，通過計算發(fā)現(xiàn)，thin-wall纖維雖然d31最高，但由于體積分數(shù)的限制，不能使單層達到最高的d31；thick-wall纖維雖d31不及thin-wall，但由于可以達到高的體積分數(shù)，因而層板的d31較大。(2)層板d31隨基體模量增加而降低。最大基體模量由單個纖維能承受的嵌入應(yīng)力決定，嵌入應(yīng)力由制備過層中基體與纖維的熱應(yīng)變差別引起（兩種材料熱膨脹系數(shù)不匹配）。纖維的環(huán)向、軸向和VonMises應(yīng)力由作者另一篇研究工作給出。研究表明：硬的基體容易導(dǎo)致纖維發(fā)生強度破壞，而軟的環(huán)氧樹脂基體容許各種和而不發(fā)生強度破壞。三、中空纖維制備與評估：上面的研究表明，和材料性質(zhì)(模量和d31)決定了中空復(fù)合材料的應(yīng)變行為，而嵌入應(yīng)力條件限制了基體材料的選擇。這節(jié)討論microfabricationbycoe*trusion(MFC*)，這種方法對各種陶瓷材料，制備晶粒尺度的任意橫截面的纖維具有很高的成功率。ovality(橢圓度)=最大直徑偏差/名義直徑eccentriclty(偏心度)=孔的偏差/直徑以上兩個參數(shù)是重要的，它們直接影響壁厚，導(dǎo)致壁內(nèi)電場的變化straightness(直線度)，由curvature(曲率)和waviness(波動)表示materialpropertyevaluation：包括所制備材料的空隙率、密度、d31、和模量四、中空纖維制備與評估：Thin-wall纖維強度較差因而會對復(fù)合材料可靠性帶來影響。五、中空纖維與實心纖維的比較實心纖維驅(qū)動電壓要求很高，因而工程應(yīng)用不方便。空心纖維如果電極破裂喪失了電連通性，纖維就失效了，在這種情況下，實心纖維比空心的強。BeckertW,KreherW,BraueW,AnteM.Effectivepropertiesofpositesutilizingfibreswithapiezoelectriccoating[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2001,21(10-11):1455-1458.hybirdfiberwithaninactivecoreandapiezoelectriccoating,thepiezoelectricinactivecoreprovidesthemechanicalsupport,andimprovemechanicalstability.Anelectricalpotentialdifferentbetweenaninnerandanouterelectrodelayergivesrisetoanactuatingelectricfield.Acorrespondinga*ialdeformationofthefiberisinducedbythe31-couplingofthepiezomaterial.corefiber:glass,SiC,steel結(jié)果：3種方法比較，d33與bulkfiber比較。RR1R2R3R4R5外電極內(nèi)電極壓電陶瓷填充材料多幾層薄的壓電層(薄壓電層驅(qū)動性能更好，在前面的文獻中有討論)，然后加反向電壓，控制起來靈活性更大(可實現(xiàn)雙路反向控制).同時，與厚的壓電層比較，用更多層薄的壓電層，電場分布誤差會很小，提供的夾持力比單層的要大，降低了壓電材料中的應(yīng)力。碩士研究,DaiQL,NgK.Investigationofelectromechanicalpropertiesofpiezoelectricstructuralfiberpositeswithmicromechanicsanalysisandfiniteelementmodeling[J].MechanicsofMaterials,2012,53:29-46.用細觀力學和有限元法(利用了雙周期條件+能量方法)方法研究壓電結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合材料（piezoelectricstructuralfiberposites），纖維縱向極化，芯材為SiC和C且不充當電極。themonolithicpiezoceramicmaterialssuchaslead-basedceramicsarebrittlebynature.Thefragilepropertymakesthemvulnerabletoaccidentalbreakageduringoperations,anddifficulttoapplytocurvedsurfacesandharshenvironmentswithreduceddurability.(陶瓷材料易碎)。金屬芯：platinum，themetalcorecanreinforcethepositeandserveaselectrode.但兩者熱膨脹性能的不匹配容易使涂層斷裂（問題：熱分析）。也可用導(dǎo)電的碳和碳化硅，但在碳和碳化硅表面的壓電涂層如果太薄，使在采集軸向纖維的電場很困難，這也是本文的著眼點。對有效性能預(yù)測，本文強調(diào)MT方法與實驗結(jié)果最為接近。theaspectratio,ofPSFisdefinedastheshellthick,tdividedbytheouterradius,r.ThevolumefractionofthePSFisthevolumeratiooffiberswiththewholelaminate.傳感模式的基本方程驅(qū)動模式的基本方程如果3方向是極化方向，12方向是橫觀各向同性面，則本文利用驅(qū)動模式方程，由得到了傳感模式方程的d33.Mori-Tanakaapproachonlyconsidersthevolumefractionande*cludestheinclusionshapeandsizeeffectsonthepositeproperties.E*tendedruleofmi*ture:theinclusionshapeandsizeeffectsofeachphasewereconsidered.最初的混合率是對兩相復(fù)合材料的，擴展的混合率用于研究三相復(fù)合材料，其實質(zhì)就是應(yīng)用兩次針對兩相材料的混合率。DinzartF,SabarH.Electroelasticbehabiorofpiezoelectricpositeswithcoatedreinforcements:micromechanicalapproachandapplications[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2009,46(20):3556-3564.LinY,SodanoHA.Conceptandmodelofapiezoelectricstructuralfiberformultifunctionalposites[J].positesScienceandTechnology,2008,68(7-8):1911-1918.這篇文獻intrduction寫得好。thispaperintroducesanovelactivepiezoelectricstructuralfiberthatcanbelaidupinainapositematerialtoperformsensingandactuation,inadditiontoprovidingloadbearingfunctionality.建立了一維模型，結(jié)果表明，包含壓電結(jié)構(gòu)纖維的復(fù)合材料層板可以達到壓電材料70%的耦合系數(shù)。first,.................,additionality,...................實用單相壓電材料有困難：易碎性，難以做成曲面形狀。于是有了各種壓電纖維復(fù)合材料PFC(包括activefiberposites(AFC)、macro-fiberposites(MFC)、1-3posites,andhollowtubeactivefiberposite)，這些壓電復(fù)合材料的典型應(yīng)用為像一個patch粘貼在結(jié)構(gòu)表面，或像一個activelayersalongwithconventionalfiber-reinforcedlamina,WhilethePFCSsprovidesignificantadvantagesovermonolithicpiezoceramicmaterials,theyarestillgenerallyseparatefromthestructuralponentsandarenotintendedtoprovideanyloadbearingfunctionality.或者即使埋入材料內(nèi)部，也不提供承受載荷的能力。本文對壓電纖維復(fù)合材料的工程應(yīng)用有比較詳細的介紹，但每個應(yīng)用只有一個功能，這是的一個著眼點（本文為傳感/驅(qū)動+承受載荷）。aone-dimensionalmicromechanicsmodel.Prioreffortshavecharacterizedanddevelopedaccuratemodelsforasolidpiezoceramicfiber[7],however,thesemodelsarenotapplicabletotheactivefiberdevelopedhere,becausethefiberistwophase.Prioreffortsdidnotconsideredthecoatingaspectratio,definedastheratioofthepiezoceramiccoatingthicknesstotheoutsideradiusoftheactivefiber,orthenon-uniformelectricfield,causedbydifferentsurfaceareabetweentheinnerandouterelectrodes.這個等式假定壓電層很薄，在壓電層厚時是不準確的。由于按此分布壓電殼內(nèi)邊界的電場高于外邊界的電場，導(dǎo)致兩個問題：(1)內(nèi)邊界處驅(qū)動應(yīng)變高，限制了themagnitudeoftheelectricfieldappliedbeforedepolingoccurs(2)導(dǎo)致纖維與壓電殼解除約束。如果3方向是極化方向，12方向是橫觀各向同性面，則只加電場時，一次壓電效應(yīng)無非均勻變形引起的約束應(yīng)變？該點的應(yīng)力為截面上總的piezoelectricforce以上是為了求平均應(yīng)變的一個虛擬(F是一個虛擬的力，只要有應(yīng)變，就假象是由一個力引起的)的過程。其實可以如下式得到利用這個虛擬概念，可以類似得到壓電結(jié)構(gòu)纖維的上式也可以由靜不定求解得到：壓電殼有一個平均應(yīng)變，由于core的約束作用，core有一個伸長應(yīng)變（假設(shè)由力FF引起），而壓電殼有一個壓縮應(yīng)變(同樣由力FF引起)，由協(xié)調(diào)條件層板的由將按照混合率換成即可。（工作：可以選用另一種混合率方法）層板本構(gòu)關(guān)系(在電場和機械場共同作用下)，在平均意義下？算例：BAAQUS,壓電結(jié)構(gòu)纖維及復(fù)合材料，corefibers為carbon和siliconcarbonate，模型一端施加固定邊界條件。用端部的平均位移計算平均應(yīng)變。LinY,SodanoHA.Electromechanicalcharacterizationofaactivestructuralfiberlaminaformultifutionalposites[J].positesScienceandTechnology,2009,69(11-12):1825-1830.寫論文參考！themonolithicmaterialisbrittlemakingitdifficulttoapplytocurvedsurfacesandreducingitsdurabilityinharshenvironmentssubjecttolargestrainsorshockloading.壓電纖維復(fù)合材料(PFCs)包括以下四種：(1)activefiberposite(AFC)：實心圓截面壓電纖維嵌入環(huán)氧樹脂，電場施加困難。(2)macrofiberposite(MFC)：壓電纖維為矩形，通過壓電鏡片切割獲得。好處是能提供與電極好的電接觸。BoththeAFCandMFCuseaseparateinterdigitatedelectrodepatternthatisbondedtothesurfaceofthefiberswhichcanmakeembeddingdifficult.Whiletheelectrodepatternrequiressignificantlyhighervoltagestoachievefullactuation,itallowstheelectricfieldtobeappliedalongthefiberlengthtocapitalizeonthehigherd33couplingcoefficient.(3)hollowfiberposite(HFC)：CannonandBrei[10,11]proposedthehollowfiberposite(HFC)inordertooverethedrawbacksofthesolidfiberposites.IntheHFCtheelectricfieldisappliedthroughthethicknessofthehollowfiber;fromtheinnerandoutersurfaces,significantlyreducingtheimpedanceofthematerialandtheactuationvoltagerequired[12].However,duetothehollowcoreandfragilenatureofPZTgreatlyrestrictsitsapplicationandmakeshollowfiberpronetocrackingandfailureundermechanicalloading.(4)activestructuralfiber(ASF)：Morerecently,severalresearchgroupsdevelopedthemetalcorePFCstooverethedisadvantageoftheHFCbycoatingametalfiber(typicalplatinumfiber)withPZTtoformtheactivepiezoelectricfibers[13–16].ThemetalcoreservesasoneelectrodeforthePZTaswellascarrypartofthemechanicalloading.AlthoughmetalcorePFCprovidessignificantadvantages,theductilityandthehighcoefficientofthermale*pansionofthemetalconductormakethepiezoceramiccoatingpronetocrackingundermechanicalstrainandthesinteringprocess.（工作：熱分析）本文制造了C和SiC芯材(能當電極)BaTiO3壓電殼壓電結(jié)構(gòu)纖維，壓電結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合材料達到70%的純陶瓷材料的d31，這種高的耦合響應(yīng)指示壓電結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合材料的d31可以比其他一些純壓電材料的高，例如PZT-5H4E(d31=320pC/N)wasused,thestructuralpositelaminawithanaspectratioof0.8andvolumefractionof0.6wouldhaveabulkcouplingcoefficientofgreaterthan_224pC/Normorethanfourtimesthatofpureunreinforcedbariumtitanate(d31=49pC/N).單個壓電結(jié)構(gòu)纖維的有效d31已經(jīng)通過試驗驗證，本文任務(wù)是驗證壓電結(jié)構(gòu)纖維嵌入聚合物基體的試驗驗證。材料制備細節(jié)：Forthiseffortsiliconcarbidefibers(TypeSCS-6,140lmdiameter,SpecialtyMaterials,Inc.Lowell,MA,USA)wereusedforthecoreandastheelectrodesintheEPDprocess.mercialbariumtitanate(BaTiO3)nano-powder(BaTiO3,99.95%,averageparticlesize:100nm,cubicphase,InframatAdvancedMaterials,Farmington,CT,USA)wasusedasthepiezoceramicconstituentbecauseitisstableunderhightemperatures,hasahighcouplingcoefficientandunlikePZTdoesnotreactwithsiliconcarbide.Followingtheapplicationofthegreenpiezoceramiccoating,theSiCfibersweresinteredinatubefurnace(Thermolyne79400)at1200Cunderanitrogengasatmosphereasshown。Aftersinteringthefibers,theoutersurfaceoftheBaTiO3layerwascoatedwithsilverpaint(SPISupplies,*5002)toformtheouterelectrode,schematicallyshowninFig.2c.Thesilver-coatedfiberswereheatedto600C，整個過程是芯材和壓電殼在1200下燒結(jié)----然后在600度下制作銀電極------然后在120度(居里溫度，F(xiàn)orbulkBaTiO3,thepolingprocesscanbedoneunderaDCelectricfield(2kV/cm)atitscurietemperature(120C))下極化------在室溫下按體積分數(shù)做環(huán)氧外層(為防止depole，溫度要小于120)試驗結(jié)果對高aspectratio有較大誤差，本文分析了其中的原因。TheresultsdemonstratethatpositesfabricatedformtheASFcanachievecouplinglevelsashighas50%ofthepiezoelectricconstituentwithvolumefractionsaslowas30%.JianLiu,JinhaoQiu,WeijieChang,HongliJi,KongjunZhu.Metal-corepiezoelectricfibersforthedetectionoflambwaves.ProceedingsoftheASME2010ConferenceonSmartMaterials,AdaptiveStructuresandIntelligentSystems,September28-October1,2010,Philadelphia,Pennsylvania,USA.本文將金屬芯壓電結(jié)構(gòu)纖維MPF作為超聲Lamb波(應(yīng)力波)的接收器（傳感器），獲得MPT的電壓響應(yīng)。AFC和MFC使用方式是制成復(fù)合材料，而不能直接使用纖維，更進一步，由于電極被放置在基體表面，電場損失很大，因此它們作為傳感器和驅(qū)動器是低效率的。金屬芯壓電結(jié)構(gòu)纖維的優(yōu)點：直徑小、重量輕、易于與hoststructure結(jié)合。壓電層厚度50-150微米，MPF直徑*圍150-400微米，長度20毫米，因此可以與結(jié)構(gòu)host-structure結(jié)合，且由于有金屬芯增強，可以克服壓電殼的脆性。壓電結(jié)構(gòu)纖維可用作傳感器和驅(qū)動器。當外電極全涂時，此時稱為金屬芯(本文為鉑)壓電纖維MPF，被用于縱向模式。當外電極半涂（必須半涂嗎）時，稱為半涂金屬芯壓電纖維HMPF。被用于彎曲模式。本文MPF作為傳感器，工作于3-1模式。ConsideranMPFsensorbondedonthesurfaceofastructureanddeformswithit.Sincetheradiusofthefiberismuchsmallerthanitslength,wecanneglectallthelateralstresses.Duetoa*ialsymmetrythereisnoshearstressinthefiber.Undertheelectricalboundaryconditionsofanopencircuit,thetotalchargeontheelectrodeofanMPFsensoriszero,andthus(零還是常量？),wheretheintegrationisperformedovereachelectrode[23].Becausethereisnofreechargeinsidetheceramics,thesamee*pressionisvalidforanycylindricalareaofradiusrsatisfyingRm<r<Rc.M.Bayat,M.M.Aghdam.AmicromechanicsbasedanalysisofhollowfiberpositesusingDQEM.posites:PartB,2012,43:2921-2929.hollowfiber:ahighstiffness/strength-to-weightratioisakeyadvantageofpositesparedtoothermaterials.multilayeredhollow-coredinclusion.本文研究由于利用廣義平面微結(jié)構(gòu)模型研究了應(yīng)力、應(yīng)變及有效彈性性質(zhì)，以及冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和空心纖維與實心纖維的能量吸收，纖維方形排列。求解利用ALeast-squaresbaseddifferentialquadratureelementmethod(DQEM，一種快速、簡單、準確求解線性和非線性微分方程的解法）求解，結(jié)果與ANSYS進行了對比。inwhichsuperscriptCreferstotheoverallpropertyoftheposite.本文的特色為將不規(guī)則求解域映射成矩形域，利用DQEM方法求解（將不規(guī)則求解域映射成矩形域，周期邊界條件和應(yīng)力協(xié)調(diào)條件+位移連續(xù)條件）位移型控制方程(以位移表示的平衡方程)。由于采用方形排列，有效彈性性質(zhì)可由簡單的方法求出。冷卻過程中的熱殘余應(yīng)力給一個-即可。而能量吸收則由施加應(yīng)力求位移決定。絕緣體：又稱電介質(zhì)，是一種阻礙電荷流動的材料，或不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)稱為絕緣體。在絕緣體中，價帶電子被緊密的束縛在其原子周圍。絕緣體和導(dǎo)體，沒有絕對的界限。絕緣體在*些條件下可以轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。這里要注意：導(dǎo)電的原因：無論固體還是液體，內(nèi)部如果有能夠自由移動的電子或者離子，則他就可以導(dǎo)電。沒有自由移動的電荷，在*些條件下，可以產(chǎn)生導(dǎo)電粒子，則它也可以成為導(dǎo)體。電介質(zhì)：所有可被電極化的絕緣體為介電質(zhì)，是一種可被電極化的絕緣體。假設(shè)將介電質(zhì)置入外電場，則束縛于其原子或分子的束縛電荷不會流過介電質(zhì)，只會從原本位置移動微小距離，即正電荷朝著電場方向稍微遷移位置，而負電荷朝著反方向稍微遷移位置。這會造成介電質(zhì)電極化，從而在介電質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生反抗電場，減弱整個介電質(zhì)內(nèi)部的電場。假若介電質(zhì)是由弱鍵結(jié)的分子構(gòu)成，則這些分子不但會被電極化，也會改變?nèi)∠?，試著將自己的對稱軸與電場對齊。自發(fā)極化：在一定溫度*圍內(nèi)、單位晶胞內(nèi)正負電荷中心不重合，形成偶極矩，呈現(xiàn)極性。這種在無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化。當施加外界電場時，自發(fā)極化方向沿電場方向趨于一致；當外電場倒向，而且超過材料矯頑電場值時，自發(fā)極化隨電場而反向；當電場移去后，陶瓷中保留的部分極化量，即剩余極化。自發(fā)極化與電場間存在著一定的滯后關(guān)系。它是表征鐵電材料性質(zhì)的必要條件。鐵電陶瓷、壓電陶瓷，如鈦酸鋇晶體BaTiO3等具有自發(fā)極化。利用材料的這種性質(zhì)，可制作電子陶瓷，如電容器及敏感元器件。位移極化：這是一種電介質(zhì)極化現(xiàn)象。首先，將一塊由無極分子組成的均勻電介質(zhì)放在外電場中時，由于分子中的正，負電荷受到相反方向的電場力，因而正，負電荷中心將發(fā)生微小的相對位移，從而形成電偶極子，其電偶極矩將沿外電場方向排列起來。這時，沿外電場方向電介質(zhì)的前后兩表面也將分別出現(xiàn)正，負極化電荷。這是彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的一種極化方式。取向極化：這是一種電介質(zhì)極化現(xiàn)象，外電場對電偶極矩的力矩作用，使它們傾向于定向排列，這稱為“取向極化”，其極化程度與溫度成反比（稱為“居里定律”）。鐵電體：*些晶體在一定的溫度*圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場方向的反向而反向，晶體的這種性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的晶體稱為鐵電體。鐵電疇：鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個小區(qū)域就稱為鐵電疇(ferroelectricdomains)。兩疇之間的界壁稱為疇壁。若兩個電疇的自發(fā)極化方向互成90°，則其疇壁叫90°疇壁。此外，還有180°疇壁等。鐵電體的極化隨著電場的變化而變化，極化強度與外加電場之間呈非線性關(guān)系。如圖1.1所示，在電場很弱時，極化線性地依賴于電場，此時可逆的疇壁移動占主導(dǎo)地位。當電場增強時，新疇成核，疇壁運動成為不可逆的，極化隨電場地增加比線性快。當電場達到相應(yīng)于B點的值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進一步增強時，由于感應(yīng)極化的增加，總極化仍然有所增加（BC段）。如果趨于飽和后電場減小，極化將按CBD曲線減少，以致當電場達到零時，晶體仍保留在宏觀極化狀態(tài)。線段OD表示的極化稱