压电复合材料

压电复合材料

1.压电效应

某些电介质在沿肯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消失正负相反的电荷。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。当作用力的方向转变时,电荷的极性也随之转变。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

之消逝，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.压电复合材料讨论概况

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，甚至可以依据使用要

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依据肯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由各项材料的连

通方式打算。依据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,压电复合材料的进展已有20多年的历史，1978年，Newnham首次提出

了压电复合材料的概念,并开头讨论压电复合材料在水声中的应用，研制胜利了1-3型压

电复合材料。在此基础上美国斯坦福高校的Auld等28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试验室的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能器，取得了较好的效果。

在随后的数年中，很多我国的科研机构也相继开展了压电复合材料的讨论工作。

虽然压电复合材料的讨论和应用已取得了很大的进展，但是从总体来看，还很不成熟,

正处于进展阶段。首先，作为一种功能材料，其应用范围还很狭窄，依据目前的讨论论文

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，

囚此，如何拓宽压电复合材料的应用应当是当前的一个讨论方向。其次，从目前的讨论状

况来看，还没有建立一套完整的压电复合材料的力-电耨合理论及微观力学模型，使人们对

于如何依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，依据压电复合材料

的力学电学特性及损伤、破坏机制建立正确的力-电耦合理论及微观力学模型是目前压电复

合材料讨论领域中的一个热门话题,此外，由于智能材料结构以成为目前材料界进展的一

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，这使得它必定会成为只能

是材料结构中的首选传感材料甚至驱动材料，因此，讨论压电复合材料在智能结构材料的

应用也是其进展的一个重要方向。

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，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彳专递给压电

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(P是影响其性能的一个重要参数。一

些试验结果表明：随着cp的增加，压电复合材料的压电常数几乎呈线性增加，当年＞40%时

增幅趋于平缓并接近与压目陶瓷的压电常数，而压电复合材料的介电常数则几乎随着牛的

增大而始终呈线性增加。此外，压电陶瓷柱的外形参数3/t的增大，压电复合材料的介电

常数呈提升趋势。

1-3型压电复合材料的制作方法一般采纳两种基本方式,即排列浇铸法和切割浇铸法。

排列浇铸法是较早采纳的一种制作方法，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精确的切割，

在陶瓷块上刻出很多深槽，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。此外，为了进一步提高压电复合材料的压电

电压常数g,Lynn等人还开发了L3-0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加。

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

3）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、相互包络各自

形成的一种空间网络结构，T殳聚合物相采纳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

度特殊高。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型压电复合材料采纳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匀称混合，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。

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气械振动的器件。

压电聚合物电声器件采用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则采用了聚合物压

电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动,采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讨论主要集中在采用压电聚

合物的特点，研制运用具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、宽带超声信号放射系统等。

压电聚合物水声换能器讨论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，随后应月领域渐渐拓展到地球物理探测、声波测试设施等方面。为满意

特定要求而开发的各种原型水声器件，采纳了不同类型和外形的压电聚合物材料,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，最终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，从而进一步增加压电

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，获得了最为胜利的应

用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到很多传感器产品中。

4.2压电驱动器

压电驱动器采用逆压电效应，将电能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，包括采用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展

的驱动器应用讨论包括显示器件掌握、微位移产生系统等。要使这些制造性设想获得实际

应用，还需要进行大量讨论。电子束辐照P(VDF-TrFE)共聚合物使该材料具备了产生大

伸缩应变的力量，从而为研制新型聚合物驱动器制造了有利条件。在潜在国防应用前景的

推动下，采用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声放射装置的讨论，在美国军方的大力

支持下正在系统地进行之中。除此之外，采用辐照改性共聚物的优异特性，讨论开发其在

医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探究。

4.3传感器上的应用

压电式压力传感器是采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肯定的，所以在连接时要特殊留意，避开

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,

结构结实。其缺点是只能月于动能测量。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T殳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，质量块一般采纳匕啜大的金属铝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,避开产生假信号输出，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用一般的测量仪器测试出试件的加速度；假如在放大器中

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，为下一步运动做好预备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍

物。如发觉有障碍，则准时实行肯定措施,避开发生碰撞；其三，为猎取对象物体表面外

形的大致信息。

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20HZ-20000HZ。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，机器人采纳超声传感器的目的是用来探测四周物体的存在与测量物体的距离。一般

用来探测四周环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。

超声传感器包括超声放射器、超声接受器、定时电路和掌握电路四个主要部分。它的

工作原理大致是这样的：首先由超声放射器向被测物体方向放射脉冲式的超声波。放射器

发出一连串超声波后即自行关闭，停止放射。同时超声接受器开头检测回声信号，定时电

路也开头计时。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。此时定时电路所纪录的时间，是从放射超声波开头到收到回声波信号

的传播时间。采用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算

的公式很简洁,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个

工作过程都是在掌握电路掌握下挨次进行的。

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

两名波士顿的讨论生正仕欧洲进行一项火车站设计工程，他们最近有了个惊奇的想法

一把人的运动转化为电能。他们的“人群农场”将会采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JamesGraham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

们试图就近直找资源，就产生了这个想法。这是一个振动的空间，有很多人，所以我们想

捕获全部的运动，把它们转化成能量。〃

据ENR网站报道，他们最初的想法比较简洁，后来打算用人的脚步。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采用压电（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估量，抱负

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、廉价又洁净的能源。"我们并不仅仅是想创造一

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J

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ElizabethRedmond。

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英寸由错酸铅制成的压电陶瓷板，上面

装白黄铜掩盖的媒电极，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去年在美国密歇根州AnnArbor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，四周是一般的水泥板。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。这样参加者就可以观察他们的运动的确产生了电。

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,

但假如压电板能人量生产，只要有人在内部或者四周走动，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MohawkIndustries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，用来讨论瓷砖、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施供电

密歇根理工高校机械工程师和亚利桑那州立

JonathanGranstromJoelFeenstrax

高校的HenrySodano和NanoSonic公司的KevinFarinholt在最近一期的《奇妙材料

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——一款采用压

电材料制成的通过背带产生能量，为便携式的电子设施充电的背包。

讨论组设计这种背包的目的是想让电子设施的使用者可以保持其行动的敏捷性，同时

让便携式电子设施的用户不需要再背着沉重的电池。

PhysOrg网站采访了Sodano。他