1、压电复合材料1.压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。2.压电复合材料研究概况压电材料由于具有响应速度快、测量精度高、性能稳定等优点而成为智能材料结构中广泛应用的传感材料和驱动材料。但是，由于存在明显的缺点，在实际应用
2、中收到了极大的限制。例如，压电陶瓷的脆性很大，经不起冲击和非对称受力，而且其极限应变小、密度大，与结构粘合后对结构的力学性能会产生较大的影响。压电聚合物虽然柔顺性好，但是它的使用温度范围小，而且其压电应变常数较低，因此作为驱动器使用时驱动效果差。为了克服上述压电材料的缺点，人们开发了压电复合材料。由于压电复合材料不但可以克服压电材料的缺点，而且还兼有有机高分子与无机材料两者的优点，甚至可以根据使用要求设计出单项压电材料所没有的性能，因此越来越引起人们的重视。压电复合材料是有压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料。压电复合材料的特性以及各种性能主要
3、由各项材料的连通方式决定。按照各相材料的连通方式，压电材料可以分为 10 种基本类型，即 0-0、0-1、0-2、 0-3、 1-1、2-1、2-2、2-3、1-3 、3-3 型。迄今为止，压电复合材料的发展已有 20 多年的历史，1978 年，Newnham 首次提出了压电复合材料的概念，并开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制成功了 1-3 型压电复合材料。在此基础上美国斯坦福大学的 Auld 等人建立了 PZT 柱周期排列的 1-3 型压电复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模型；纽约菲利普斯实验室的 W.A.Smith等人用 1-3 型压电复合材料做成了用于医学图像处理的超声换
4、能器，取得了较好的效果。在随后的数年中，许多国家的科研机构也相继开展了压电复合材料的研究工作。虽然压电复合材料的研究和应用已取得了很大的进展，但是从总体来看，还很不成熟，正处于发展阶段。首先，作为一种功能材料，其应用范围还很狭窄，根据目前的研究论文和报道来看，其应用主要集中在超声检测领域，而在其他的领域的应用则几乎未见报道，因此，如何拓宽压电复合材料的应用应该是当前的一个研究方向。其次，从目前的研究状况来看，还没有建立一套完整的压电复合材料的力-电耦合理论及微观力学模型，使人们对于如何根据工程应用来设计压电复合材料缺乏必要的理论依据，因此，根据压电复合材料的力学电学特性及损伤、破坏机制建立正确
5、的力-电耦合理论及微观力学模型是目前压电复合材料研究领域中的一个热门话题，另外，由于智能材料结构以成为目前材料界发展的一个重要的方向，而压电复合材料由于性能优良且具有可设计性，这使得它必然会成为只能是材料结构中的首选传感材料甚至驱动材料，因此，研究压电复合材料在智能结构材料的应用也是其发展的一个重要方向。压电复合材料有 10 中基本类型，但是综合性能较好、最适合在智能材料结构中应用的压电复合材料主要有 0-3 型、 1-3 型、3-3 型。3.压电复合材料的制造方法1）1-3 型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行于排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。在 1-3 型压电复合材料中
6、，由于聚合物相得柔顺性远比压电陶瓷相好，因此当 1-3 型压电复合材料受到外力作用时，作用于聚合物相的应力将传递给压电陶瓷相，造成压电陶瓷相得应力放大；同时，由于聚合物相的介电常数极低，是整个压电复合材料的介电常数大幅降低。这两个因素综合作用的结果是压电复合材料的压电电压常数 g 得到了较大幅度的提高，并且由于聚合物的加入使压电复合材料的柔顺性也得到了显著地改善，从而使材料的综合性能得到了很大的提高。在 1-3 型压电复合材料中，压电陶瓷的体积分数 是影响其性能的一个重要参数。一些实验结果表明：随着 的增加，压电复合材料的压电常数几乎呈线性增加，当 40%时增幅趋于平缓并接近与压电陶瓷的压电常
7、数，而压电复合材料的介电常数则几乎随着 的增大而一直呈线性增加。另外，压电陶瓷柱的形状参数 /t 的增大，压电复合材料的介电常数呈上升趋势。1-3 型压电复合材料的制作方法一般采用两种基本方式，即排列浇铸法和切割浇铸法。排列浇铸法是较早采用的一种制作方法，这种方法是将压电陶瓷棒是先在莫班上插排好，然后向其中浇注聚合物，固化之后再经切割成片、镀电极、极化及形成 1-3 型压电复合材料；切割浇铸法是沿与压电陶瓷块极化轴相垂直的两个水平方向上通过准确的切割，在陶瓷块上刻出许多深槽，然后在槽内浇注聚合物，固化之后将剩余的陶瓷基体切除掉，经镀电极、极化之后即形成 1-3 型复合材料。另外，为了进一步提高
8、压电复合材料的压电电压常数 g，Lynn 等人还开发了 1-3-0 型压电复合材料。这种压电复合材料是在 1-3 型复合材料的基础上引入一些气孔来减弱聚合物相的泊松耦合效应，从而使压电陶瓷相的应力放大作用得到进一步的增强。虽然 1-3 型压电复合材料的压电应变常数 d 和机电转换系数 k 低于压电陶瓷，但是它的压电电压常数和柔韧性却得到了明显的改善。2）0-3 型压电复合材料市值在三维连通的聚合物基体中均匀填充压电陶瓷颗粒而形成的压电复合材料。在 0-3 型压电复合材料中，压电陶瓷想呈颗粒状均匀分布，因此它的电场通路的连通性明显差于 1-3 型压电复合材料，而且使得复合材料中形不成压电陶瓷相的
9、应力放大作用。这样，同纯压电陶瓷和 1-3 型压电复合材料相比，0-3 型压电复合材料的压电变常数 d 就要低得多；但是，由于 0-3 型压电复合材料的介电常数极低，因此它的压电电压常数 g 仍然较高，而且它的柔顺性能也远比压电陶瓷的好，因此其综合性能要优于纯压电材料。0-3 型压电材料的制作工艺：首先将压电陶瓷制成粉末状，然后将陶瓷粉末与聚合物混合均匀并加入适量的熔剂搅拌均匀，待有机溶剂完全挥发后模压成型，再经固化、切割、镀电极、极化之后即形成 0-3 型压电复合材料。影响 0-3 型压电复合材料性能的参数较多，其中，压电陶瓷的体积分数 是一个重要的参数，研究表明，当 60% 时，复合材料的
10、压电常数极低，只有当 超过 60%时复合材料的压电常数才会迅速增加。但是，如果 值过大，复合材料难以成型，因此，理想的 值约为 60%-70%。 对复合材料的介电常数 也有较大的影响，随着 的增大， 几乎线性地增大。同 1-3 型压电复合材料相比，0-3 型压电复合材料的压电应变常数 d 和压电电压常数 g不高，但是其柔韧性更好，而且与 PVDF 相比，其综合性能不相上下，但是其制备工艺却更简单，成本也更低，更适合批量生产。因此，0-3 型压电材料是一种在性能上可以替代压电陶瓷和 PVDF 而制造成本却更低的新型压电传感材料，将来必然会在只能材料结构中得到广泛应用。3）3-3 型压电复合材料是
11、指聚合物相和压电相在三维空间内相互交织、相互包络各自形成的一种空间网络结构，一般聚合物相采用环氧树脂或者硅橡胶。这种 3-3 型压电复合材料与传统的实心压电陶瓷相比，具有很多的优点。首先，3-3 型压电材料的静水压灵敏度特别高。其次，3-3 型压电复合材料具有较低的体积密度，当 PZT 陶瓷相的体积分数为50%时， 3-3 型复合材料改善了它与水之间的声阻抗率匹配和耦合。一般 3-3 型压电复合材料采用 BURPS（有机物烧去法）工艺制备，其步骤是：将塑料球粒与压电陶瓷粉末在有机粘结剂中均匀混合，烧结后形成多孔陶瓷框架网络；然后再填充聚合物，经固化、磨平、上电极后即形成 3-3 型压电复合材料
12、。4.压电材料应用4.1 换能器换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件 。压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而
13、开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF 薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。4.2 压电驱动器压电驱动器利用逆压电效应，将电能
14、转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照 P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。4.3 传感器上的应用压电式
15、压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。 压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产
16、生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压） ，当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以
17、用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。4.4 在机器人接近觉中的应用机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。 超声波是人耳听见的一种机械波，频率在 20KHZ 以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是 20HZ20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在
18、与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于 30mm 的物体。 超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质
19、中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。5.压电材料新应用5.1“人群农场”为火车站供电两名波士顿的研究生正在欧洲进行一项火车站设计工程，他们最近有了个奇怪的想法把人的运动转化为电能。他们的“人群农场”将会利用人们走动时地板的滑动来产生电。这两名年轻人是美国麻省理工学院建筑和规划系的 James Graham 和 Thaddeus Jusczyk。他们正在意大利都灵进行一项火车站的模型设计。 Graham 说：“在设计时，我们试图就近寻找资源，就产生了这个想法。这是一个振动的
20、空间，有很多人，所以我们想捕获所有的运动，把它们转化成能量。 ”据 ENR 网站报道，他们最初的想法比较简单，后来决定用人的脚步。Graham 介绍说，欧洲曾有一家建筑公司为一家舞蹈俱乐部设计的地板就是利用压电（机械能转化为电能）技术产生能量给电灯供电。 “我们的这个火车站有 3/4 英里乘 1/4 英里大小，但是能用于发电的部分很集中，很适合这种工程。 ”大厅和斜坡使用的动力地板系统有很大的节能潜力。Graham 和 Jusczyk 估计，理想状况下人的一步能使两盏 60 瓦的灯泡亮一秒钟。而一群人的脚步，或者拖行李的压力能让人的行动产生的动态能量成为一种新的、便宜又干净的能源。 “我们并不
21、仅仅是想发明一种可以用在某些地方的高科技垫子，我们是想真正把它结合到建筑系统中。 ”5.2 发电地板Graham 和 Jusczyk 的想法还停留在理论阶段，但已经有人把理论付诸于现实了。这个人就是美国芝加哥的自由设计师 Elizabeth Redmond。Redmond 在负责一项名为“能源飞跃”的工程。在这项工程中，地板砖就是用可以发电的材料制成的。 “我的设计是使用 2 英寸乘 1 英寸由锆酸铅制成的压电陶瓷板，上面装有黄铜覆盖的镍电极，这样电流渗漏很低。 ”Redmond 介绍说，每 1 英尺乘 1 英尺的地面上有这么一块板，当有人踩过一块板，可以产生 5.5 瓦的电能。Redmond
22、 去年在美国密歇根州 Ann Arbor 闹市区的人行道上试验了她的设计。工作装置是 4 块 2 英尺乘 4 英尺的压电板，周围是普通的水泥板。这些压电板内部安装了 4 个发光二极管，只要有人踩上就会被点亮。这样参与者就可以看见他们的运动确实产生了电。这个试验模型花费了 1000 美元，不包括人力。Redmond 表示最大的花费在于压电材料，但如果压电板能大量生产，只要有人在内部或者附近走动，它们就可以用于建筑物、街道和霓虹灯的照明。Redmond 现在正在进行她的下一代设计，她从 Mohawk Industries 一家专营家用和商业地板的大型公司那里获得了 1 万美元的资助，用来研究瓷砖、
23、材料和最优的安装尺寸之间的关联。Redmond 表示这代产品可能今年 10 月就会面世。5.3 发电背包为便携式电子设备供电密歇根理工大学机械工程师 Jonathan Granstrom 和 Joel Feenstra、亚利桑那州立大学的Henry Sodano 和 NanoSonic 公司的 Kevin Farinholt 在最近一期的巧妙材料和结构杂志上发表了文章，介绍了他们在能量获得方面的最新创新成果 一款利用压电材料制成的通过背带产生能量，为便携式的电子设备充电的背包。研究组设计这种背包的目的是想让电子设备的使用者可以保持其行动的灵活性，同时让便携式电子设备的用户不需要再背着沉重的电池
24、。PhysOrg 网站采访了 Sodano。他表示：“这种系统的好处就是可以无缝取代现有材料。背带在使用上和传统材料毫无差别。 ”据介绍，这种背包的背带是用聚偏氟乙烯(PVDF)制成的。这种材料很强韧，感觉和尼龙很像。但不同于尼龙的是，PVDF 是一种压电材料，可以把压力转化为电力。当负重 100 磅士兵背包的通常重量，以 23 公里的时速行走时，模拟数据显示，背带可以产生 45.6 毫瓦的能量。研究人员表示，这个能量输出可以为小型电子设备提供电能，又能在长时间行路中成为沉重电池的替代品。据 Sodano 介绍，可以使用的电子设备包括矿工帽子上的小型照明灯（约 38 毫瓦） 、苹果 iPod
25、nanoMP3 播放器（约 46 毫瓦）和摩托罗拉 Razr 手机待机时需要 9 毫瓦的持续电能，通话中需要 360 毫瓦。Sodano 表示，用之前要积累能量，因此可以走 20 分钟，再通话两分半钟，或者可以白天给照明灯充电，晚上使用。将来，这个能量还可以用于给手持的 GPS 系统供电该系统要求 165200 毫瓦的持续电能。Sodano 表示，设计背带最大的挑战是找到非常强健、持久的电极，因为一般的电极不能忍受背带的巨大张力。因此，研究人员和 NanoSonic 公司合作，后者提供了可以做电极的材料。研究人员制作了 100 纳米厚的电极，可以承受 1000%的张力，同时保证导电性，释放之后还可以回到原来的形状。
