压材料基础知识解析

作者:物理

  压电智能材料是一类具有压电效应的材料。由于智能材料与结构的发展,赋予这类材料以极强的生命力,对于压电元件更是如此。压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号,或将电信号转变为振动信号,也就是说压电元件既能作传感器又能作驱动器,实现了传感元件与动作元件的统一。因此可以方便地应用于智能材料与结构中,尤其在材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面有其独特的用途。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统。可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能,使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。

  压电效应是Pierre Curic和Jacques Curic兄弟于1880年发现的。在某些特定方向上对某些电介质晶体(α-石英晶体)施加机械应力(拉或压)时,晶体内部正、负电荷中心将发生相对位移而产生极化,从而使晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与外力成正比,这种在机械应力的作用下使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应(或正压电效应)。Curie兄弟发现压电效应以后的第二年(即1881年),Lippmann依据热力学方法,预先推知应有逆压电效应存在。几个月后,Curie兄弟便用实验方法验证了这一点。

  该三元系压电陶瓷是最早发现的具有铁电性的三元系固溶体,也是应用较为广泛的三元系统。由于Pb( Mg1/3Nb2/3)O3的居里温度为-15℃,室温下为顺电体,介电常数很大,故随着Pb( Mg1/3Nb2/3)O3含量的增加,固溶体的介电常数增大、居里温度降低、机电耦合系数减小。若采用添加不等价离子化合物或用Ba2+、Sr2+、Ca2+等置换Pb2+的方法对该三元系统进行改性,其性能还可进一步优化。这类材料广泛地应用于拾音器、微音器、滤波器、变压器等方面。

  该三元系压电陶瓷的特点是耦合系数不高,但可以在较宽的范围内调节,并且其机械品质因数高,介质损耗小,具有优良的稳定性,在陶瓷滤波器和机械滤波器的换能器应用方面具有独特的优势。

  该三元系压电陶瓷的主要特点是谐振频率的温度稳定性好,受机械力和电气负荷影响小,抗老化性能优良。本系材科在大功率超声发生器、高电压发生装置以及其他机电换能器上应用较多,尤其适用于恶劣环境中的应用。

  压电陶瓷虽然材料体系比较成熟,应用广泛,但是压电陶瓷非常脆,不适合于大面积铺放。压电聚合物的出现,解决了这个问题。聚偏二氟乙烯(PVDF)是典型的聚合物压电材料,20世纪60年代末期,其压电效应被日本人发现。PVDF以偏氟乙烯(CH2=CF2)作为单体聚合而成,其分子式为CH2一CF2。PVDF属于半结晶型聚合物,主要有两种晶型,在晶型I中,分子构型是锯齿形的,每个晶胞由两个链与两个单体单元组成;在晶型I中,聚合物链为TGTG型(反式-反左式-反式-反右式)构型,每个晶胞由两个链与四个单体单元组成。

  PVDF的主要缺点是受使用温度的限制,一般不能超过100℃,而压电陶瓷的使用温度可达20℃,由于压电陶瓷与聚合物在力学性能和介电性能方面存在很大差异,故二者复合可以优势互补,克服压电陶瓷的脆性和压电聚合物受温度限制的缺点。压电复合材料的出现、应用和发展始于20世纪80年代初期,将压电聚合物和压电陶瓷按一定的组分比例(如体积比或质量比)、空间几何分布及连通方式复合在一起,使之兼具压电陶瓷和压电聚合物的优点,并且能够成倍地提高材料的压电性能。例如压电陶瓷的压电应变系数较高,但是它的压电电压系数却较低,这限制了它在超声测量方面的应用,压电复合材料很好地克服了这个缺点。由于压电性具有张量性质,故可以根据条件计算出复合材料性能的优值,再通过设计及复合工艺提高这些优值的张量系数,而减小另一些张量系数,从而实现复合后的性能优势。

  (1)驱动器方面的应用。这个方向更多的研究集中在主动控制上,智能材料系统中最成熟的应用领域大概就是对振动和噪声的主动控制。它是指采用智能控制方法有选择地控制辐射振动模。因为并不是所有的振动模都辐射“具有危险性”的声波,减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素。因而最好的办法是“感觉”辐射“具有危险性”的辐射波振动模,并使用分布在整个结构中的驱动器(压电材料或电致流变体)对产生的该振动模进行控制。即利用压电陶瓷传感和驱动作用相结合,实现压电陶瓷的动态柔度系数可调。利用这种刚度的自适应,便可控制结构的振动。选择压电陶瓷(电致伸缩材料)作为驱动器,考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度/环境效应等问题,同时还要考虑控制器的小型化。

  压电材料首选的应用就是做压力传感器。如压电聚合物PVDF材料可以做得很薄(200~300 μm或更薄),可贴于物体表面,很适合做传感器,故自1969年以来很快得到应用。单轴膜(只有一个极化方向)可以测量单向应力,双轴膜则可测定平面应力。由于它对压力十分敏感,所以常用于触觉传感器,识别布莱叶盲文字母和区分砂纸级别。PVDF膜在机器人上做触觉传感器、可感知温度、压力;采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。还有报道称这种膜已用于检测和监控铝结构和硼/环氧树脂复合材料修复情况及复合材料结构的冲击损伤。

本文由bifa788发布,转载请注明来源