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1、上海大学上海大学 2011 2012 学年冬季学期研究生课程小论文学年冬季学期研究生课程小论文课程名称： 电子陶瓷材料及器件 课程编号： 101101913 论文题目: 压电复合材料综述 研究生姓名: 刘 强 学 号: 11721442 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: I压电复合材料综述压电复合材料综述刘 强摘要摘要：本文介绍了压电复合材料的发展状况、连接方式、制备方法、影响其复合物性能的影响参数等，主要介绍了0-3 型和 1-3 型压电功能复合材料的制备及其性能研究，对当前研究该领域所存在的问题作了个概述，并提出了一些改进措施。关键词关键词：压电复合材料；连接方式；性能参数；原理
2、；应用A Review of Piezoelectric Composite MaterialsLiu qiangAbstract: The connection types, preparation methods, performance factors and status of development are reviewed. We mainly discussed the performances of 1-3 type and 0-3 type piezoelectric composite materials. Whats more, the present problems
3、and related measures are studied. Keywords: Piezoelectric composite materials; Connection types; Performance factors; Principle ; Application 11 前言前言1.1 压电复合材料简介压电复合材料简介我们知道，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1。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
4、结构的力学性能会产生较大的影响，且不易加工成各种形状，其阻抗也不易与水、空气和生物组织等相匹配。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，达到 1+12 的效果。因此越来越引起人们的重视。1.2 压电复合材料发展历史压电复合材料发展历史尽管多年来，不同类型压电复合材料已在医疗、计测、信息处理以及乐器等领域得到广泛应用，但对压电复合材料乃是源自对水
5、声换能器的研究开始的。迄今为止，压电复合材料的发展已有近 40 年的历史，自 20 世纪 70 年代 Newnham 等提出压电复合材料的概念后2-4，人们就开始了对压电复合材料的压电性能的理论和实验工作。1972 年日本的北山中村研制了 PVDF-BaTiO3柔性复合材料，开创了压电复合材料的历史。70 年代中后期，宾州大学材料实验室开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制了 1-3 型压电复合材料，R.E.Newhan 等人进行了大量的理论和实验研究工作，测试了不同体积含量的压电夏合材料的特性。80 年代初以后，美国加州斯坦福大学的 B.A.auld、Y.wang 等人建立了 PZT 柱周
6、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等。美国纽约菲利浦实验室的 W. A. Smi 等人也做了与上类似的工作、与此同时以及随后几年，许多国家也相继开展了压电复合材料的研究，如澳大利亚的 LW.Chan、日本的 Hiroshi Takeuchi 等、一些研究工作者还利用压电复合材料制作了换能器。90 年代初，对压电复合材料有效性能进行较为严格的研究工作仅限于 1-3 型压电复合材料。例如，Grekov 等基于同心圆柱模型预测了 1-3型压电复合材料的有效力电性质。对 0-3 型压电复合材料的分析，Furukswa 等通过压2电相与基体相是各向同性材料，可以由单一
7、的弹性、介电与压电系数表征的假设，得到了 0-3 型压电复合材料的压电系数。1.3 压电复合材料的连接方式压电复合材料的连接方式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5,6，即 0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、2-1、2-2、2-3、1-3、3-3 型。这十种类型连接方式的第一个数字代表压电相的连通维数，第二个数字代表聚合物的连通维数。图 1 为压电复合材料的 10 种组合模式7。图 1 压电复合材料的
8、10 种组合模式2 压电复合材料原理、制备、特点及影响性能因数压电复合材料原理、制备、特点及影响性能因数2.1 压电复合材料原理压电复合材料原理我们知道，压电复合材料是根据压电效应，利用压电方程及相关数学推导设计而成的。因静水压压电常数8dh=d33+2d31，gh=dh/33，压电陶瓷的压电应变常数 d33与 d31，3符号相反，且 d33是 d31近似 2 倍，介电常数较大，使得压电陶瓷静水压压电常数 dh和gh很小，难于满足水听器的要求。经与多聚物复合以后，使得静水压压电常数 dh和 gh能满足材料性能要求。在垂直于极化方向，陶瓷相和聚合物相串联连接，导致压电复合材料的 d31减小，而聚
9、合物的加入又降低了复合材料的介电常数，因此压电复合材料的 dh和 gh得以大幅度提高，使其在水声领域，特别在振动或噪音的主动控制领域具有广阔的应用前景。2.2 压电复合材料的制备方法压电复合材料的制备方法压电复合材料的制备包括压电相的制备、聚合物的制备和复合材料的制备。压电复合材料的制备方法主要有超声研磨法、注射法、模具-浇铸成型法、排列-浇铸法、切割-填充法，而主要的是排列-浇铸法和切割-填充法9。2.2.1 1-3 型压电复合材料型压电复合材料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10。在 1-3 型压电复合材料中，由于聚合物相的柔
10、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数，而压电复合材料的
11、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4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，为了进一步提高压电复合材料的压电电
12、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。2.2.2 0-3 型压电复合材料型压电复合材料0-3 型压电复合材料11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
13、材料中形不成压电陶瓷相的应力放大作用。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
14、 60%时，复合材料的压电常数极低，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。52
15、.2.3 3-3 型压电复合材料型压电复合材料3-3 型压电复合材料12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，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
16、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。2.3 压电复合材料特点压电复合材料特点压电复合材料作为压电相与非压电相的结合体，具有以下特点：（1）压电复合材料的声阻抗小，易与水、人体组织等匹配；（2）压电复合材料的机电耦合系数高，有效实现能量转换；（3）压电复合材料的柔软，可做成各种形状，加工方便；（4）压电复合材料的脉冲回波信号带宽，适作宽带换能器；（5）压电复合材料比 PZT 材料更适合做水听器。2.4 影响压电复合材料性能因素影响压电复合材料性能因素压电复合材料的特性受到其组成材料，即压电相和基体相的特性及其组成比例、连通类型等很多因素的影响。因此，研究影响复合材
