复合智能陶瓷(压电陶瓷)

5.5复合智能陶瓷

（压电陶瓷）

复合智能陶瓷是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式、一定体积或重量比例和一定的空间几何分布复合而成的复合材料。

一定连通方式复合智能陶瓷可以成倍地提高材料的某些电性能，并可以具有单一压电陶瓷没有的传感、驱动等优良性能。压电复合材料在很多领域有着广泛的应用。其中包括作为传感器、驱动器、换能器的主体材料，是未来智能材料中的新型驱动件，很有发展前景。压电复合材料的连通性：是指每相材料在空间分布上的自我连通方式,它决定着压电复合材料中的电场通路和应用分布形式按照这种连通性的设计思路,目前国际上已发展了多种结构的压电复合材料,如图1所示。下面仅对部分复合材料的结构、制备方法及性能加以分述。1—3型压电复合材料1—3型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地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,由于聚合物

相的柔顺性远比压电陶瓷相的好,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,造成压电陶瓷相的应力放大（静

水压电应变系数dn

）；同时由于聚合物

相的介电常数极低,使整个压电复合材

料的介电常数大幅下降（ε

）。这两个

因素综合作用的结果使压电复合材料的

压电电压系数g（g=dn/ε）

得到了

较大幅度的提高,同时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改善,从而使材料的综合性能得到了很大的提高。0—3型压电复合材料

0—3型压电复合材料是最简单的形式,它是由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通的聚合物基体中形成的。0—3型压电复合材料柔性好、

易于加工成各种形状,但其较

难极化,且其性能易受各种工

艺的影响。3—3型压电复合材料3—3型压电复合材料是指聚合物相和压电相在三维空间内相互交织、相互包络而形成的一种空间网络复合结构。一般聚合物相采用环氧树脂或硅橡胶。一般3—3型压电复合材料采用有机物烧去法工艺制备,其步聚是：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。智能陶瓷的发展前景智能材料的研究和开发是信息科学和材料科学的交叉，且融合了生命科学而发展起来的新兴科学。21世纪智能材料将得到更进一步的发展。陶瓷智能材料与金属智能材料和高分子智能材料相互配合，将复合出性能更加优良的智能材料。目前，智能陶瓷在航空航天、土木工程、船舶、汽车、医学等行业具有很大的发展前景。

智能材料的发展首先和社会效应相关，如飞机失事和重要建筑结构的损坏，激励着具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。说明以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使飞机和材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。

为此，要着重研究如何将软件功能引入材料、系统和结构中，这就有赖与智能材料科学的发展，涉及智能材料探索性理论研究、应用基础研究和先驱开发研究。1.在航天器方面的应用在航空航天飞行器方面的重点研究内容之一是智能表层。智能表层的功能之一是能够自动检测周围环境的变化，并自动适应环境；另一功能是适合于当前电子战，即具有识别、人为干扰、屏蔽通讯和电子保障系统。

对于材料内部的缺陷和损伤，智能表层能够进行自诊断、自修复、自适应，还能抑制噪声和振动，对于航天飞行器座舱能够自动通风和冷却。在航空航天飞行器方面，另一主要研究方向是翼面的气动弹性设计。

以往的飞机在发动机推力作用下通过改变舵面的角度来提高升力，这种情况下，在升力提高的同时，阻力也增大。如果在翼面中埋入传感元件和驱动元件，利用驱动元件改变机翼翼面下表面的曲度，就可以使机翼具有足够的升力，并且不增大阻力。航天空间站的天线，在地面上是收拢的，到高空缓慢地展开，尺寸很大又细长，形状和方向精度要求很高。在空间无重力、无阻尼状态下，必须采用能实现主动控制振动和形状的桁（heng）架。智能张力桁架天线是由张紧的缆索元件组成的，天线的表面可以通过改变缆索元件的长度进行控制。在天线反射面边界上布置一批驱动器和传感器。在天线内还有控制驱动器的编码器和控制电路。当传感器测出表面误差不符合要求时，由控制电路通过编码器激励驱动器，改变缆索长度，实现自适应控制。航天飞机和空间站的对接和停泊也是航天技术研究的主要内容之一。

它们在空间是一个大质量的悬浮物，以六个自由度在空间进行复杂的运动，并且由于大的惯性力使得其位置和方向的控制非常困难。

现在正在研究在空间站上采用装有驱动器、传感器和控制系统的智能泊位机构，并训练一个神经网络去引导泊位机构，使得两者能实现自适应对接过程。2.在建筑方面的应用

在土木建筑方面，目前已经解决了在钢筋混凝土中埋置光导纤维的技术。埋入的光导纤维可以用作通讯、强度检测，代替原来的导线，并实现整个建筑的办公自动化。

目前正在研究的是在结构中埋入压电加速度计，利用驱动元件制成可改变结构层面刚度的主动抗震剪切板，以及具有控制系统的抗地震智能建筑物。评价钢筋混凝土结构的强度以及建筑结构的完整性是土木工程中一项很重要的技术。对建筑结构的性能进行预先监测和预报，不仅会大大减少结构的维护费用，而且能避免对人类造成危害。近来虽然出现一系列无损检测技术，方法虽多，但均不能对土木工程进行实时检测、预报结构的破损情况和进行完整性评估。

在钢筋混凝土结构中埋入传感器，并组成网络，就可以实时检测结构的完整性，并能进行通讯和设备控制。

智能结构在这方面具有很好的应用前景。目前主要应用在高层建筑、桥梁、水坝等方面。（1）在高层建筑方面的应用混凝土在固化过程中，因水化作用或外界温度变动会引起温度梯度，这些温差会引起混凝土的体积非均匀变动。当这种非均匀变动产生的拉伸应力超过混凝土拉伸应力时，将会引起结构中产生裂纹、翘曲和扭转。要想获得无缺陷的混凝土，在固化过程期间需要充分散发掉大量热量。对于以上问题，可利用埋入式光纤传感器对大型混凝土结构进行内温测量，从而便于采取措施控制混凝土的冷却速度。

水泥石是强碱性的，对玻璃纤维有腐蚀作用。因此，埋入时表面应进行抗碱性涂层。埋入方法通常有以下四种。（2）在桥梁工程方面的应用

桥梁是承受动载荷的构建，并且易被大气污染。因此往往要