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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划压电复合材料驱动器(共3篇)压电复合材料的应用与分析摘要：压电复合材料是20世纪80年代开始兴起研究的新型压电材料，通过三十多年的研究，压电复合材料从理论、制造技术到应用开发都取得了很大进展。文章重点介绍了1-3型水泥基压电复合材料的制备、应用及其有限元分析计算方法。关键词：压电复合材料；水泥基压电复合材料；应用；有限元1压电复合材料压电材料由于响应速度快，测量精度高、性能稳定等优点而成为智能材料结构中广泛使用的传感材料和驱动材料。但是，单相压电材料因存在明显的缺点而在实际应用中受到
2、了很大的限制。例如，大多压电晶体存在着价格昂贵，机械强度低、化学稳定性差、易于潮解等缺点，在土木工程结构中使用时易损坏；压电陶瓷的脆性很大，经不起机械冲击和非对称受力，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，但是使用温度范围小，压电应变常数较低，作为驱动器使用时驱动效果差。压电复合材料是20世纪80年代开始兴起研究新型压电材料，它是以环氧树脂、橡胶或PVDF等聚合物作为基体，以压电陶瓷作为电功能增强体而形成的复合材料。它综合了压电陶瓷和聚合物的特点，具有介电常数小、密度低、韧性好等特点。而且通过调节复合材料的微观结构和选择各相材料的性能，
3、可以制作成性能多样的压电复合材料，适合各种需要。通过三十多年的研究，压电复合材料从理论、制造技术到应用开发都取得了很大进展。压电复合材料的类型与性能：压电复合材料一般是由压电陶瓷和聚合物基体按照一定的连接方式，一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复合而成。压电复合材料的特性如电场通路、应力分布形式以及各种性能如压电性能、机械性能等主要由各相材料的连通方式来决定。按照各相材料的不同的连通方式，压电复合材料可以分为十种基本类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型，第一个数字代表压电相，二个数字代表非压电相。其中研究最多的主要为0-3型、2-2型及
4、1-3型压电复合材料。下面对这几种复合材料作简要介绍。0-3型压电复合材料是指在三维连通的聚合物基体中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，由于压电陶瓷相主要以颗粒状呈弥散均匀分布，其电场通路的连通性明显差于1-3型压电复合材料，在复合材料中形不成压电陶瓷相的应力放大作用，因此与纯压电陶瓷相比，0-3型压电复合材料的压电应变常数就要低很多。然而，由于0-3型压压电复合材料1.压电效应某些电介质在沿一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出现正负相反的电荷。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
5、方向改变时，电荷的极性也随之改变。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失，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.压电复合材料研究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
6、，因此作为驱动器(转载于:写论文网:)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，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，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
7、发展已有20多年的历史，1978年，Newnham首次提出了压电复合材料的概念，并开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制成功了1-3型压电复合材料。在此基础上美国斯坦福大学的Auld等人建立了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；纽约菲利普斯实验室的等人用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，许多国家的科研机构也相继开展了压电复合材料的研究工作。虽然压电复合材料的研究和应用已取得了很大的进展，但是从总体来看，还很不成熟，正处于发展阶段。首先，作为一种功能材料，其应用范围还很狭窄，根据目前的研究论文和报
8、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，因此，如何拓宽压电复合材料的应用应该是当前的一个研究方向。其次，从目前的研究状况来看，还没有建立一套完整的压电复合材料的力-电耦合理论及微观力学模型，使人们对于如何根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，根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研究领域中的一个热门话题，另外，由于智能材料结构以成为目前材料界发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，这使得它必然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，研究压电
9、复合材料在智能结构材料的应用也是其发展的一个重要方向。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
10、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，
11、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
12、性却得到了明显的改善。2）0-3型压电复合材料市值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
13、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
14、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。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，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工艺制备，其步骤是：
15、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。4.压电材料应用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机械振动的器件。压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利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，利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研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其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、宽带超声信号发射系统等。压电聚合物水声换能器研究初期均
16、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，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，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，最后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，从而进一步增强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，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。
