不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响

不同力和温度对PVD F压电薄膜压电系数的影响郭伟国褚世永(西北工业大学航空学院 ,西安 710072 )摘 要 为揭示在不同力和温度条件下 PVD F压电薄膜介电常数的特性 ,利用 M TS伺服液压试验机和分离式 Hop k in son压杆装置对 PVD F压电薄膜施加了不同形式的载荷 ,试验采用的温度是在 293 2363 K之间 。为将 PVD F压电薄膜所感受的电荷 量转成电压 ,制作了源跟随测量电路 ,间接获得压电系数 D33 。结果表明 : ( 1 )低噪声源跟随电路可有效测量 PVD F薄膜输出 ; ( 2) PVD F压电薄膜的压电系数 D33 对温度很敏感 ; ( 3 ) D33 值在加载初始阶段波动很大 ,所以实际应用中应给 PVD F提供一个 预压载荷 ,以确保有一恒定的压电系数 D 33 ; ( 4)当压载荷沿倾斜方向作用在 PVD F表面时 ,由于有剪切力作用 , D33 值会随着 倾斜角的变化发生显著改变 ; ( 5 ) PVD F薄膜具有很宽的频响 ,更适用于测定不同载荷条件下的侵彻或冲击等动态载荷 。关键词PVD F 压电系数力温度中图法分类号O347;文献标志码A聚偏氟乙烯薄膜 (以下简称为 PVD F )是半晶质聚合体 (微晶约占 65% ) 。此 聚合 体由 重 复的 CF2 2CF2 长链分子组成 。 PVD F 压电薄膜很强的压电 2焦 热电行为主要与氟 2碳原子间很大的电负性有关 ,因 此有很大的偶极矩 。通常 ,采用在 PVD F压电薄膜表 面喷镀或涂饰微米厚的白金或铝形成电极 ,这样构成 PVD F压电薄膜传感器 。这种传感器的厚度大约在几 到几十微米范围内 。 PVD F压电薄膜的灵敏度系数与 所测方向有关 ,在拉伸 、横向和厚度方向有不同值 。PVD F可输出较 大的 电 压 值 , 它 大 约 比 陶 瓷 压 电传感器高十倍左右 ; 且能将施加的变形 (应变 )呈比例地 转 为 电 荷 量 (电 压 ) 。这 种 薄 膜 质 量 轻 、韧 揉 、变形强度高 、频率响应很 宽 ( 10 - 3 109 H z) 、声 阻抗低 、防潮 ,可很容易与所测物体粘接 2 。在过去 数年研究中 ,通过将 PVD F夹在分离式 Hop k in son压 杆的两杆间来测定和校准其动态响应 ,它较高的频 响特性得到了验证 3 5 。在 应用 方面 , Zhu 等 6 用自行设计的 PVD F 传感器成功地测量了 激光 在 A l和 T300 /环氧复合材料靶体中诱发的冲击波 。 X i和 7 Zheng对 PVD F 传 感 器 频 响 进 行 了 校 准 , 得 出PVD F具有比应变计更小噪声 ,用 PVD F所测压缩脉 3 冲响应时间和应变计所测相同等结论 。 Guo, L iu 5 和 H u 利用 PVD F成功地测定了泡沫金属和低波阻抗材料的动态性能 。由于具有很宽的频响 , PVD F已被成功地制成各种理想的力传感器 ,也用到飞行 器风挡玻璃的鸟撞试验中 ,用来测定冲击载荷 。但通常像鸟 撞试 验和 其 他一 些特 殊用 途 的条 件 很 复 杂 ,研究者和工程技术人员一直想知道 PVD F 在不 同环境条件下的性能变化 。因此 ,在本文中 ,我们利 用 M TS伺服液压试验机和分离式 Hop k in son压杆装置 ,以多种载荷条件 、在温度从 293 363 K之间对PVD F的性能进 行 了系 统的 测试 , 通 过 结果 分析 得 到一些重要的结论 。1 温度对 PVD F压电系数的影响1. 1 低噪声源跟随器当力 F作用在 PVD F厚度方向 (常称第 3方向 )2007 年 10 月 15 日收到国防科技工业民用专项科研技术研究项目资助第一作者简介 :郭伟国 ( 1960 ) , 男 , 副教授 。研究方向 : 材料和结构动态行为测试技术 、材料的动态行为与本构关系 。时 ,在PVD F薄膜中所引起的电荷 Q 为 :Q = D33 F,( 1 )348科 学 技术 与 工 程8卷其中 D33 为 PVD F的压电系数 (介电常数 ) 。为便于测量和记录 ,电荷 Q 须转为电压量 ,这可 通过具有高频响的源跟随电路实现 ,具体电路如图1 所示 。通常 , 这个低噪声源跟随转换器主要由一 个 MO SFET (场效应管 )组成 ,转换器具有较高的输 入端阻抗 (一般高于 109 ) 和低的输出端阻抗 , 以 确保电荷 Q 不短时释放掉 ,转换器具有从低到高很 宽的频响 (大于 1 MH z) 。记 Cp 是 PVD F 的等效电容 ,其值与薄膜的面积和厚度有关 ,通常约为 102 nF于是 ,若能测得力 F (或者应力 )和对应的输出电压图 1 源跟随转换器V0 ,就可以通过计算得到参数 D33 。1. 2 温度的影响利用 M TS试验机来研究 PVD F在力作用下的温 度效应 。由两台可控石英灯实现温度变化 ,由热电偶丝测量实际温度 ,试验温度误差保持在 2 。图2 ( a)为试验现场照片 。图 2 ( b ) 为 D33 值与其对应 载荷关系曲线 。从图 2中可以看到 , D33 随着温度变 化和不同加载卸载路径而变化 。同时 ,在外载荷较 小时 (小于 5 000 N ) , D33 值在加载和卸载时有剧烈 波动 。图 2 ( c) 为加载过程中 D33 变化曲线 , D33 值 随着温度的增加而显著增长 。图 2 ( d ) 显示了室温2量级 ; Cg 是连接线的等效电容 ,也在 10 nF 量级左右 ; C 是输出可调电容 。参考电路上的电容 Cp 、Cg和 C ,电荷 Q 可为 :Q = ( Cp + C + Cg ) V I( 2 )( 2 )式中 V I 为对应电压 。这样 ,源跟随转换器输出电压 V0 可表示为 :A Q( 3 )V0 = A V I =Cp + C + Cg( 3 )式中 A 是转换器的放大 /衰减系数 。将 ( 3 )式中Q 用 ( 1 )式代替 ,得到 :( 293 K)加载时 D 值的变化 。这些结果表明 PVD F33的压电系数 D33 对周围环境温度很敏感 ,而且 D33 值在低 (初始 )加载阶段很不稳定 。 A D33 FV0 = A V I =( 4 )Cp + C + Cg实际上 , C值为 0. 1 F量级 ,比 Cp 和 Cg 值高约两个量级 。所以在 ( 4 )式中可忽略 Cp 和 Cg ,不会对结果2动态载荷的影响为了测定 PVD F 的低频响应 ,在 M TS试验机上PVD F进行幅值加载 、加载为不同频率的三角 /正产生显著的影响 。利用这个近似结果 ,力电压 V0 的关系可表示为 :F 和输出对弦波 。图 3 ( a)为典型的循环曲线 ,从中可以看到卸 V0 CF ( 5 )载与加载路径不重合 。图 3 ( b)为对应的 D332压缩A D33图 3 ( a)不同频率时 , PVD F输出电压 载荷曲线 ; ( b)加载和卸载路径上的 D33 值变化 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期郭伟国 ,等 :不同力和温度对 PVD F压电薄膜压电系数的影响349图 2 ( a)加热和 PVD F的试验照片 ; ( b)压电系数 D33 与载荷关系曲线 ;( c) D33 值在不同温度下加载时的变化 ; ( d) D33 值在室温加载时的变化载荷曲线 ,显然 D33 值在加载和卸载过程中不同 ,但不同频率条件下加载 /卸载的 D33 值很接近 。在加 载频率为 40 H z时 D33 值和其它情况不同 ,这可能是 由于试验机动态频响有限造成的 。利用分离式 Hop k in son 压杆装置来测定 PVD F 的动态响应 。采用此装 置是 因 为它 能提 供 上升 时 间相对短且压力范围 较 宽的 动态 压 力 。先 将一 片 PVD F夹在直径为 30 mm 的入射杆和透射杆之间 , 一般 PVD F厚度小 ,应力波在其中传播的时间极短 (约几十纳秒 ) 。因此 ,可忽略 PVD F 夹在两杆间对 实验结果的影响 。当撞击杆撞到入射杆后 ,在入射杆上产生的 方波 几乎 全 部 经 过 PVD F 传 到 透 射 杆中 ,图 4为 PVD F输出信号和杆上的应变信号对比 , 两种脉冲信号几乎重合 ,脉冲的上升沿大约历时几 十毫秒 ,由此可看出 PVD F有和应变计相同的频响 。图 4 PVD F的响应与杆上应变计脉冲的比较为了检验 PVD F 在冲击载荷下的响应 ,如试验照片图 5 ( a)所示 ,将一片 PVD F薄膜 ( 1 号 )粘接在Hop k in son压杆装置中入射杆的被冲击端 。将另一 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 350科 学 技术 与 工 程8卷片 PVD F薄膜 ( 2 号 ) 夹在两杆之间 。图 5 ( b ) 为试验系统示意图 。分别用橡胶 、合金铝和钢制成的子 弹直接撞击粘在入射杆上的 PVD F。在图 6 ( a )中 , 将 1 号薄膜和 2 号薄膜的输出信号进行比较 ,发现 两个脉冲具有完全 相同 的波 形 。在 图 6 ( b ) 中 , 将 PVD F脉冲和应变计的信号脉冲作比较 , 发现它们 完全相似 。从试验曲线能够得出这样的结论 : 可直 接将 PVD F夹在 Hop k in son装置的两杆之间 ,然后用 不同的子弹撞击入射杆可测试 PVD F 的动态响应 ,(从 45到 0)而增大 ,而且加载路径和卸载路径仍不相同 。图 8 ( b)显示了 D33 值在不同加卸载角度 时 的变化情况 ,其中横坐标为斜向载荷 F ,而 D33 是通 过斜向载荷 F在薄膜面上的法向分力得到的 。从图8中可看出 D33 值将随 的增大而增大 。这说明在实 际斜向受载时应注意不能将 D33 值直接用于斜向受 力的测试 ,应针对不同倾斜角度重新标定 D33 。从而验证 PVD F 的冲击响应 。同时可以看到具有和应变计相同的冲击响应 。PVD F图 5 ( a)粘在 Hop k in son杆端的 PVD F照片 ;( b)夹持 PVD F的 Hop k in son压杆装置图 6 ( a)不同位置上两 PVD F的输出信号比较 ;( b)应变计脉冲与 PVD F输出脉冲比较2. 1 倾斜加载 PVD F的响应在许多实际应用中 ,冲击或撞击是沿一定倾斜角 度作用在 PVD F表面上的 ,可以看作 PVD F是受到一 个薄膜面上的法向力和一面内剪切力的合力作用 。 图 7为这种情形的试验模拟图 。在图 7 ( a)中 , 定 义为倾斜角 ,分别取 0, 15, 30和 45。试验是在M TS试验机上对试样加载一个频率为 0. 1 Hz的恒幅 三角波 , F是施加到 PVD F 的斜向载荷 。从图 8 ( a ) 中可以看到 , PVD F 输出的电 压 随着 倾斜 角 的减 小2. 2 风挡鸟撞试验的实例在鸟 撞 试 验 中 , 尺 寸 为 30 mm 30 mm 的 PVD F薄膜被粘贴在飞行器挡风玻璃可能被撞击的 区域 ,如图 9 ( a)所示 。所有薄膜几乎都受到一定倾 斜角的撞击力 。图 9 ( b ) 为试验中 PVD F 输出脉冲 的时间函 数 曲 线 。因 为 PVD F 具 有 很 高 的 频 响 时 间 ,通常为毫秒量级 , 所 以 它可 以用 来 测定 鸟撞 产 生的冲击力 。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期郭伟国 ,等 :不同力和温度对 PVD F压电薄膜压电系数的影响351( 2 ) 在加载初始阶段 , D33 值会有剧烈波动 ,这意味着应提供一个预载 ,以便使 PVD F 的压电系数D33 稳定 ;( 3 ) 重复加载中 ,加载时的 D33 值与卸载不同 ;( 4 ) 在倾斜加载情形下 , D33 会因为剪切力的 存在而随着倾斜角的变化发生显著改变 ;( 5 ) PVD F 薄膜具有很宽的频响 , 它可 以用 来 测定在不同加载条件下的撞击或冲击载荷 。( a)夹具中 PVD F的位置示意图 ; ( b) PVD F试验照片图 73 结果讨论和结论以上结果表明 : PVD F薄膜对温度很敏感 ,所以随着温度的变化 , D33 值会发生显著的改变 ; 在加载 或卸载的开始阶段 , D33 值有很剧烈的波动 ,所以在 实际应用中 , 应该采用预加载以保证压电系数 D33 稳定 ;注意到 PVD F的动态响应极好 , D33 值在不同 的加载 2卸载频率时几乎保持稳定 ,但加载时的 D33 值与卸载不同 ;当 PVD F受到倾斜冲击时 , D33 值会 随着冲击 倾 斜 角 的 变 化 而 变 化 , 所 以 在 实 际 应 用 中 ,应根据真实的冲击角对 PVD F 进行校准 。总体 看来 , PVD F压电薄膜更适用高速撞击 、冲击这类动 态力的测试 。几个值得注意的结论如下 :( 1 ) PVD F 的 压 电 系 数 D33 对 环 境 温 度 十 分敏感 ;图 8 ( a)不同角度时 ,载荷 PVD F输出电压曲线 ;( b)加载卸载路径上 D33 值的变化 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 352科学技术 与 工 程8卷M c laugh lin J , M cN e ill M , B raun B , et a l. P iezoe lec tric sen so r dete r2m ina tion of a rte ria l p u lse wave ve loc ity. 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Ch ina)To de tec t the d ie lec tric con stan t cha rac te ristic s of PVD F th in film unde r d iffe ren t load ing cond ition s A b stra c tand temp e ra tu re s, the d iffe ren t load ing te sts of PVD F th in film a re system a tica lly ca rried ou t a t a range of temp e ra2tu re from 293 K to 363 K, u sing a M TS se rvohyd rau lic te sting m ach ine and the sp lit Hop k in son comp re ssive ba r. To conve rt the cha rge of the PVD F film to the vo ltage, a sou rce2fo llowe r c ircu it is deve lop ed. D u ring te sting, the p iezoe lec tric coeffic ien tD33 is ind irec tly m ea su red. The re su lts show tha t: ( 1 ) the low 2