[1]Brei D, Cannon B J. Piezoceramic hollow fiber active composites[J]. Composites
Science and Technology, 2004, 64(2):245-261.
图1 中空压电纤维
一、背景介绍
一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。
Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。
空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。
传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm 或更短。混合共挤技术可以制备100mm 以上的空心纤维。
目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。
二、单个纤维及层板的有效性质
中空纤维中的电场：
tw E V /t = thin-wall approximation V
E(r)r ln(1)
-=-
-α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚
度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。
纤维有效31d ：
F
31tw 31,eff tw
d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??
，F
31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生
高的应变。
单层有效31d ：
F
31,eff f f L
la min a
tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y
??νε===ν+-ν
? ??
?
讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数)代替纤维体积分数，
f f
(2)?
ν=-αα
?
?
，通过计算发现，thin-wall纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最
高的d31；thick-wall纤维虽d31不及thin-wall，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和Von Mises应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基
体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和
f
ν而不发生强度破坏。三、中空纤维制备与评估：
上面的研究表明，α和材料性质(模量和d31)决定了中空复合材料的应变行为，而嵌入应力条件限制了基体材料的选择。这节讨论microfabrication by coextrusion(MFCX)，这种方法对各种陶瓷材料，制备晶粒尺度的任意横截面的纤维具有很高的成功率。
(1)ovality(椭圆度)=最大直径偏差/名义直径
(2)eccentriclty(偏心度)=孔的偏差/直径
以上两个参数是重要的，它们直接影响壁厚，导致壁内电场的变化
(3)straightness(直线度)，由curvature(曲率)和waviness(波动)表示
(4)material property evaluation：包括所制备材料的空隙率、密度、d31、和模量
四、中空纤维制备与评估：
Thin-wall纤维强度较差因而会对复合材料可靠性带来影响。
五、中空纤维与实心纤维的比较
实心纤维驱动电压要求很高，因而工程应用不方便。空心纤维如果电极破裂丧失了电连通性，纤维就失效了，在这种情况下，实心纤维比空心的强。
[2]Beckert W, Kreher W, Braue W, Ante M. Effective properties of composites
utilizing fibres with a piezoelectric coating[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2001, 21(10-11):1455-1458.
hybird fiber with an inactive core and a piezoelectric coating, the piezoelectric inactive core provides the mechanical support, and improve mechanical stability. An electrical potential different between an inner and an outer electrode layer gives rise to an actuating electric field. A corresponding axial deformation of the fiber is induced by the 31-coupling of the piezomaterial.
core fiber: glass, SiC, steel
结果：3种方法比较，d33与bulk fiber比较。
外电极
多几层薄的压电层(薄压电层驱动性能更好，在前面的文献中有讨论)，然后加反向电压，控制起来灵活性更大(可实现双路反向控制). 同时，与厚的压电层比较，用更多层薄的压电层，电场分布误差会很小，提供的夹持力比单层的要大，降低了压电材料中的应力。硕士研究, [3]Dai Q L, Ng K. Investigation of electromechanical properties of piezoelectric
structural fiber composites with micromechanics analysis and finite element modeling[J]. Mechanics of Materials, 2012,53:29-46.
用细观力学和有限元法(利用了双周期条件+能量方法)方法研究压电结构纤维复合材料（piezoelectric structural fiber composites），纤维纵向极化，芯材为SiC和C且不充当电极。
the monolithic piezoceramic materials such as lead-based ceramics are brittle
by nature. The fragile property makes them vulnerable to accidental breakage during operations, and difficult to apply to curved surfaces and harsh environments with reduced durability.(陶瓷材料易碎)。
金属芯：platinum ，the metal core can reinforce the composite and serve as electrode.但两者热膨胀性能的不匹配容易使涂层断裂（问题：热分析）。也可用导电的碳和碳化硅，但在碳和碳化硅表面的压电涂层如果太薄，使在采集轴向纤维的电场很困难，这也是本文的着眼点。
对有效性能预测，本文强调MT 方法与实验结果最为接近。the aspect ratio, α of PSF is defined as the shell thick, t divided by the outer radius, r. The volume fraction of the PSF is the volume ratio of fibers with the whole laminate. 传感模式的基本方程
ij ijmn mn nij n
T
i imn mn in n
S d E D d E ε=σ+=σ+κ
驱动模式的基本方程
ij ijmn mn nij n S i imn mn in n
C e E
D e
E σ=ε-=ε+κ
如果3方向是极化方向，12方向是横观各向同性面，则
***
*
1112133111****1211133122****1313333333*
*44
15
23**3144
15
*1266
**115
11
**215
11
*33100000000000
0000
0000
00
000000
000
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? ? ? ? ???c c c e c c c e c c c e c e c e c D e k D e k D e e σσσσσσ1122
3323311212***33133
3322200
?????? ??? ??? ??? ??? ??
? ??? ??? ??? ???
?
?? ??? ??? ?????
??E E E e k εεεεεε()
***
16611
12
2=-c c c 本文利用驱动模式方程，由1
kq kp pq ijk imn mnjk e d C ,d e C -==得到了传感模式方程的d 33.
Mori-Tanaka approach only considers the volume fraction and excludes the
inclusion shape and size effects on the composite properties. Extended rule of mixture: the inclusion shape and size effects of each phase were considered.最初的混合率是对两相复合材料的，扩展的混合率用于研究三相复合材料，其实质就是应用两次针对两相材料的混合率。
[4] Dinzart F, Sabar H. Electroelastic behabior of piezoelectric composites with
coated reinforcements: micromechanical approach and applications[J]. International Journal of Solids and Structures, 2009, 46(20):3556-3564.
1
ijk imn mnjk d e C -=
[5] Lin Y, Sodano H A. Concept and model of a piezoelectric structural fiber for
multifunctional composites[J]. Composites Science and Technology, 2008,68(7-8): 1911- 1918.
这篇文献intrduction 写得好。 this paper introduces a novel active piezoelectric structural fiber that can be laid up in a in a composite material to perform sensing and actuation, in addition to providing load bearing functionality. 建立了一维模型，结果表明，包含压电结构纤维的复合材料层板可以达到压电材料70%的耦合系数。
first,................., additionality,...................
实用单相压电材料有困难：易碎性，难以做成曲面形状。于是有了各种压电纤维复合材料PFC(包括active fiber composites(AFC)、macro-fiber composites(MFC)、1-3 composites, and hollow tube active fiber composite)，这些压电复合材料的典型应用为
像一个patch 粘贴在结构表面，或像一个active layers along with conventional fiber-reinforced lamina, While the PFCSs provide significant advantages over monolithic piezoceramic materials, they are still generally separate from the structural components and are not intended to provide any load bearing functionality.或者即使埋入材料内部，也不提供承受载荷的能力。
本文对压电纤维复合材料的工程应用有比较详细的介绍，但每个应用只有一个功能，这是的一个着眼点（本文为传感/驱动+承受载荷）。
a one-dimensional micromechanics model.
Prior efforts have characterized and developed accurate models for a solid piezoceramic fiber [7], however, these models are not applicable to the active fiber developed here, because the fiber is two phase. Prior efforts did not considered the coating aspect ratio, defined as the ratio of the piezoceramic coating thickness to the outside radius of the active fiber, or the non-uniform electric field, caused by different surface area between the inner and outer electrodes.
V
E(r)r ln(1)
-=-
-α 这个等式假定压电层很薄，在压电层厚时是不准确的。由于
按此分布压电壳内边界的电场高于外边界的电场，导致两个问题：(1)内边界处驱动应变高，
由热塑性聚合物和无机压电材料组成的压电材料称为压电复合材料或复合聚合物压电材料。它具有无机压电材料优良的压电性能和聚合物压电材料优良的加工性能，无需拉伸即可获得压电性能。这种压电特性在薄膜中没有各向异性，因此在任何方向上都表现出相同的压电特性。 准备好的 压电复合材料的制备方法是将无机压电材料粉末均匀分解，混合成热塑性聚合物，再混合成型。常见的无机压电材料是压电陶瓷，如锆钛酸铅和pbto3；常见的聚合物基体是PVDF和其他含氟树脂。[1] 优势 （1）横向振动很弱，串扰很弱； （2）机械品质因数Q值低 （3）宽带（80%-100%）； （4）机电耦合系数大；
（5）与普通PZT探针相比，具有更高的灵敏度和更好的信噪比； （6）在较宽的温度范围内稳定； （7）可加工形状复杂的探头，只需简单的切割和填充工艺； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数和机电系数容易改变（因为这些参数与陶瓷材料的体积比有关）； （9）很容易匹配不同声阻抗的材料（从水到钢）； （10）通过改变陶瓷体积比可以调节超声灵敏度。[1] 压电材料分类 压电材料是一种具有压电效应的材料。它是一种功能材料，在外力作用下产生电流，反之亦然，在电流作用下产生力或变形。它广泛应用于传感器中，实现机械能和电能的转换。自1880年居里兄弟发现压电效应以来，他们开发了多种压电材料，可分为以下五类：①单晶材料，如石英、磷酸等；②陶瓷材料，如锆钛酸铅（PZT））、钛酸铅，③高分子聚合物，如聚氯乙烯；④复合材料，如PZT/聚合物；⑤微晶玻璃，如tisro3等。
从以上可以看出，压电材料已经从自然界中存在的简单的单晶材料发展到构造复杂的复合材料过程。压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物以一定的方式、一定的体积质量比和一定的空间分布组成，可以改善材料的压电性能。[2] 0-3压电复合材料 0-3型是最简单的压电复合材料，它是由分散在三维聚合物基体中的不连续陶瓷颗粒（0-D）形成的。它的适应性很强。它可以制成薄片、条状或金属丝，甚至可以模制成各种复杂的形状。然而，极化是困难的，它的性质很容易受到各种过程的影响。 （1）由于压电填充相的极化电场强度远小于外极化电场强度，0-3压电复合材料的极化困难。为了改善聚合物的极化性能，可以在复合材料中加入少量的导电相，如碳、锗，以提高聚合物基体的导电性。此外，还可以采取措施提高压电陶瓷的相电阻率。 （2）压电相的选择要考虑的重要参数是长径比C/A，大的C/A压电相可以获得较大的自发应变。使用PZT、pbtio2、（Pb、BI）（Ti、Fe）O3等。
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。 1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。 制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。 主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。 研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为 10.2Mrayl、317pC/N。与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。 在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系
[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。 目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），
本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估： 上面的研究表明，α和材料性质(模量和d31)决定了中空复合材料的应变行为，而嵌入应
压电纤维复合材料的研究与应用 XXX 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。 2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，
而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。 Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。 LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。 Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。 Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。 锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤
2007年第 3 期 声学与电子工程 总第 87 期 25 1-3型压电复合材料和普通PZT 换能器性能对比分析 陈俊波 王月兵 仲林建 （第七一五研究所，杭州，310012） 摘要 通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT 圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT 压电换能器的收发性能有明显改善。 关键词 1-3型压电复合材料； PZT ；压电换能器 在当今的压电材料中，锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为换能材料一直占据着主导地位，其优点是具有高的机电耦合系数、介电常数范围很宽、损耗低、制作方便、价格低廉，因此广泛用于水声换能器、生物医学成像、超声工程等诸多方面；其缺点是声阻抗高，当负载是水或生物组织时，不易与负载匹配，在界面处的反射损耗就会很大，而且其横向耦合很强，因此，使用PZT 材料制作的厚度振动换能器存在频带窄、Q 值高、灵敏度较差等缺点。 1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电相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。该材料保留了PZT 压电陶瓷的高压电性，由于掺入了无源的聚合物相，因此具有较低的声阻抗、Q 值、介电常数和平面机电耦合系数，是制作高灵敏度宽带换能器的理想材料。 1 1-3型压电复合材料的性能 1-3型压电复合材料一般采用切割-填充法制作[1] 。考虑到一次性切割两个方向，陶瓷立柱容易断裂脱落，故先沿一个方向进行切割，在切缝中灌注聚合物并固化，然后再在与之垂直的另一个方向进行切割，再灌注聚合物。为了得到压电相体积百分比和陶瓷立柱的厚度对材料性能的影响，制作了不同参数的1-3型压电复合材料样品。 用阻抗分析仪测得材料的串、并联谐振频率、导纳、自由电容等参数，则厚度机电耦合系数t k 和机械品质因数m Q 可由下式计算得到[2]： 2ππtan 22p s s t p p f f f k f f ???=?????? (1) () 2 22 2πp m s m t p s f Q f Z C f f =? (2) 式中s f 、p f 分别为材料的串、并联谐振频率，m Z 为阻抗模值的最小值（对应于导纳模值的最大值）， t C 为材料的自由电容。部分材料样品的特性由表1 列出。 表1 部分1-3型压电复合材料样品的特性 样品 编号 体积百分比(%) 厚度 (mm) 谐振频率 (kHz) k t (%) Q m 1-2 54.9 1 1028 73.033 3.5-15 4.9 3.5 443.8 62.5865-2 54.9 5 314.8 60.71217-2 54.9 7 228.7 59.6869-1 54.9 9 176.6 60.0408-3 54.9 8 198.3 60.26822-8-172.4 8 20 5.2 59.77633-8-180.2 8 210.7 57.4 37 从表1可以看出,，体积百分比及陶瓷立柱截面一定时，随着厚度的增加，谐振频率逐渐下降，厚度机电耦合系数t k 逐渐下降并趋于平缓，而m Q 值则呈现先上升后下降的趋势。当厚度一定时，随着体积百分比的增加，厚度机电耦合系数逐渐减小。上述特性是因为随着材料厚度的增加，谐振频率逐渐下降，声波在聚合物中的衰减变小，陶瓷立柱之间的横向耦合增大，从而导致厚度模机电耦合系数的下降。当厚度大到一定程度，陶瓷立柱间的耦合趋于平稳，因此厚度机电耦合系数也变得平缓。 2换能器性能对比测量和分析 为了便于比较1-3型压电复合材料和纯PZT 材料对换能器性能的影响，分别用两片相同尺寸的1-3型压电复合材料和PZT 陶瓷片制作成活塞型换能器。换能器的压电元件选用厚度为9mm 、直径为 42.7 mm 的圆片，用去耦材料固定，并安装在金属外壳内，辐射面用聚氨酯灌封。 经测量得到两种换能器空气中和水中的导纳曲线、发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线如图3～14所示。
压电纤维复合材料的研究与应用 xxxx 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高
第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的
压电复合材料 摘要：压电材料具有一定的条件反射以及指令分析能力，在智能材料系统具有广泛的应用前景。本文结合压电材料的种类及应用，重点分析了我国压电材料的发展现状。 压电材料是具有压电效应材料的总称，属于具有特殊效应的新型复合材料。近年来，在化工、机械、医疗等领域的应用发展迅速，逐渐成为国际竞争的重要新技术新材料。同时，驰豫型铁电单晶、压电复合材料、高居里温度压电陶瓷、三元及多元系压电陶瓷、压电薄膜、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷等均成为了国内外压电材料行业主要研发热点。 压电材料产品种类多 21世纪最具应用潜能的新型复合材料之一——压电材料在我国发展现状几何？ 压电材料指在压力作用下，两端面间出现电压的晶体材料。根据材料的性能不同，一般分为无机压电材料和有机压电材料两大类。 常见的压电材料分类 1.无机压电材料
无机压电材料包括压电晶体及压电陶瓷。相比而言，压电晶体介电常数低、稳定性高、机械品质因子高，常见的有水晶、锗酸锂、镓酸锂等。压电陶瓷压电性能强、介电常数高、稳定性差、电损耗较大，常见的有钛酸钡BT、改性钛酸铅PT、锆钛酸铅PZT等。 此外，压片陶瓷工艺较为复杂，生产过程中需完成配料、混合磨细、预烧、二次磨细、造粒、成形、排塑、烧结成瓷、外形加工、被电极、高压极化、老化测试等工艺，产品种类较多，包括分割电极方片、单面引线电极、分割电极等。 2.有机压电材料 有机压电材料又称压电聚合物，该类材料具有密度低、柔韧度高、阻抗力低、压电电压常数高等优势，在水声、超声、电声等领域应用较广。 压电材料可用作能量转换器 国内外压电材料的应用不断取得突破 压电材料可将机械能转化为电能，常用于制造换能器，可以分为震动能—电能转换器和超声振动能—电能转换器两大类，包括水能换能器、
纤维复合材料的热膨胀系数(1) 复合材料学报 ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA 文章编号:1000-3851(2002) 03-0124-03 第19卷第3期 Vol. 19 No. 3 6月 2002年 2002 J une 纤维复合材料的热膨胀系数 王培吉, 范素华 (山东建材学院物理系, 济南250022) 摘要: 提出了一种利用压电光声技术测量材料热膨胀系数的实验方法, 并测试了单向复合材料C/C 、C/Al 的横向、纵向的热膨胀系数。根据已有的理论计算方法与实验结果对该方法的测试结果进行验证, 证明了该检测方法的可靠性, 进而又测量了C /C 、C /Al 材料在任一方向上的热膨胀系数。这种方法克服了理论计算过程复杂以及常规手段无法测量任一方向上热膨胀系数的缺陷。关键词: 热膨胀系数; 压电光声技术; 复合材料中图分类号: TB332; O482. 2 文献标识码:A THERMAL EXPANS ION COEFFICIENT OF FIBER COMPOS ITES WANG Pei-ji, FA N Su-hua (Dept . of Physics , Shandong Institute of Building Materia l , J ina n 250022, China ) Abstract: The thermal expansion coefficients of fiber composites are studied in this pa per. A method of mea suring the therma l expansion coefficient by piezoelectric photoa coustic technique was proposed . An intensity-modulated Ar la ser beam wa s used as the incident light. The beam was focused on an a bout 1μm dia meter spot and illumina ted collinearly the sa mple surface . Using the technique , piezo-electric photoacoustic signals a s a function of different frequencies were experimentally measured. The therma l expansion coefficients can be obtained by fitting the experimenta l data . On the other hand , the therma l expansion coefficients of one-wa y composite C/C a nd C/A l in the tra nsverse, longitudinal directions were mea sured . The mea sured results a re reliable by compa ring with other ca lcula tion methods a nd experimental results. Thermal expa nsion coefficients in a
第23卷第1期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.23,No.1 2007年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2007 0-3型PZT/PVDF 压电复合材料压电性能研究 孙洪山，张德庆，王少君，祁磊 (齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006 ) 摘要：以PZT和PVDF为原料，采用热压和冷压两种工艺制备了0-3型压电复合材料，其中PZT陶瓷粉末由sol-gel法制得。研究了不同因素对复合材料压电和介电性能的影响。实验结果表明在相同成型压力下，PZT体积含量为70% 时，热压和冷压工艺制备的复合材料33d 分别为41和24，相差达到17，而ε相差最大值达到32.4。 关键词：0-3型PZT/PVDF压电复合材料；热压法；冷压法 中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2007)01-0013-04 树脂基压电复合材料是一种多相材料, 由压电陶瓷与树脂基体复合形成的一种新型功能材料[1] 。这种材料具有两相材料的优点: 良好的柔顺性、 较高的压电常数和机电耦合系数。压电复合材料的密度和声速远低于压电陶瓷, 故其声阻抗小, 易与空气、水和生物组织实现声阻抗的匹配，满足水声、电声、超声换能器等方面的要求 [2～4] 。国内外许多材料工作者在0-3型复合材料的制备工艺[5]、 影响性能的因素[6]及理论研究 [7] 等方面做了许多工作。为提高复合材料的性能，本实验采用sol-gel法合成的超细纳米PZT粉体作为功能相，为解决加工过程中的分散性问题，采用溶液混合法制备出了混合相对均匀的0-3型PZT/PVDF复合材料，并 研究了PZT体积含量、制备工艺对复合材料电性能的影响。 1 实验过程 1.1 实验原料 自制的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉末，相对介电常数ε为1 152，33d 为274 pC/N；聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末, 相对介电常数ε为12，33d 为1 pC/N。 1.2 仪器 DW-P153-1AC高压直流电源，天津市东文高压电源厂；YY2815精密元件分析仪，天津市无线电六厂；ZJ-3A型准静态测试仪，中国科学院声学研究所。 1.3 复合材料的制备 将制备的PZT粉末与PVDF粉末混合，加入适量乙醇超声震荡，混合均匀。待乙醇烘干, 将混合粉料分为两部分。一部分装入模具中, 在200℃左右热压10 MPa成型, 自然冷却至室温, 然后取出样品；另一部分装入模具, 常温10 MPa成型取出样品，所得样品直径φ=13 mm , 厚度d =0.50～0.80 mm。 1.4 极化及电性能测试 将上述样品表面抛光, 将样品的上下表面镀上免烧银电极。极化电场为10 kV/mm， 极化时间一般选择25 min，极化温度一般为110℃。极化完毕后用YY2815型精密元件分析仪测量样品的电容，测量电压为1V, 测量频率为1kHz， 根据公式S h C 00εε=, 计算出相对介电常数ε；压电应变系数33d 采用ZJ-3A型准静态测量仪测试, 测试频率为50 Hz。 2 结果与讨论 收稿日期：2006-10-18 基金项目：黑龙江省科技计划（GB02A302）资助项目 作者简介：孙洪山（1978-），男，山东省青岛市人，在读硕士研究生，从事功能材料方面的研究，Email：zhdqing@https://www.doczj.com/doc/914737188.html,。
[1]Brei D, Cannon B J. Piezoceramic hollow fiber active composites[J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。
目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估：
第五章1-3型正交异性压电复合材料性能分析 5.1 正交异性压电复合材料的研究进展 单一的压电材料由于它是在厚度方向（极化方向）相垂直的电极平面产生电场利用横向 压电应变常数在两个非极化方向上产生各向同性的平面驱动应变，因此它具有平面内压 电各向同性之特性，用作驱动元件它也不能够在特定的方向产生较强的驱动力。然而，目前压电复合材料的研究和应用亦仅仅只注重于改善单一压电材料的机械特性以及一些电学参数等方面的工作，而仍然保留着压电材料横观各向同性的特性。因此，如何利用压电复合材料的设计自由度大的特点，构造出具有压电正交异性之特性的压电复合材料，进而利用这个特性更好地感受智能材料结构内外的各种信息一直是研究的热点。 1991年Smith，Auld，1993年Hagood，Bent，研究了压电纤维复合材料（PFC），它的主要优点是正交异性和各向异性的驱动能量。1990年Ehlers，Weisshaar对压电各向异性诱 导应变的研究，认为有两种各向异性：一是力学/刚度各向异性（）；二是压电/自 由应变各向异性（），1992年他们在经典的存扭转散度和存弯变形曲概念的基础上 研究了静态气动弹性形变行为，并且集中研究了在静态空气弹性形变的控制行为适应材料特性参数的函数的可行性，通过使用精确解，各向异性压电导出应变可应用在静态空气弹性形变的控制领域。1992年Barrett对4种材料—结构系统（PZT、PVDF、PFC以及DAP）进行了研究，从而证实了适应性材料具有不同的作用性能和效力，并且论述了定向粘贴的压电体（DAP）和增强的DAP（EDAP）是正交各向异性的，因而在没有拉伸应变和弯曲应变的情况下，照样能产生剪切应变和扭矩，通过对DAP和EDAP的实验，证实了它们性能比CAP的性能要好得多（扭矩提高了16倍之多），DAP元件被认为是仅具有刚度各向异性，而这一技术 仍然仅仅是利用了单一压电陶瓷的横向压电常数，即DAP元件的驱动能力与单一压电陶 瓷的驱动能力相当。1993年Hagood和Bent研究使用PFCs的复合材料层合板结构，1993—1995年Bent，Rodgers和Hagood用Rayleigh-Ritz近似法对内部齿状电极技术即（IDE技术）进行了模拟研究并与压电纤维复合材料结合应用于智能材料结构，产生了各向异性控制的方法，该方法使结构中的横向压电效应和纵向压电效应一样大。在建立模型方面Haood等人（1996年）认为如果使用了非线性力学和材料学的有关性质，那么该模型的性能可以进一步提高。 综合上述各方面的研究成果可知，构成各向异性驱动元件的压电材料及其相关技术主要为以下几种：其一是采用特殊的粘贴技术（DAP/EDAP），利用了使宿主构件材料的力学/刚度产生各向异性而形成了正交各向异性，它的有点是仍然采用了单一压电陶瓷材料，操作方便，但是继承了单一压电材料的所有缺点，仅利用了压电材料的横向压电特性（纵向压电常数远大于横向压电常数）；其二是采用IDE电极技术，这一技术的有点是利用了纵向压电常数高的有点，驱动器产生了与同样单一的材料（PZT型）驱动器不同的诱导应变及驱动能力，构造出正交异性压电之特性。它的极化方向实际上是沿着元件的几何轴向，但是仍然采用了单一的压电陶瓷材料，且在电极附近的电场既非均匀也非线性，同时没有能够克服单一的压电材料具有脆性大、经受不起机械冲击和非对称性载荷的作用的缺点；其三是研究了压电纤维复合材料（PFC）技术。压电纤维复合材料的引入是为了减少把单片压电陶瓷用作驱动器所必然的一些弊端。通过使内置的薄片状电极来产生施加到驱动复合材料上的电场，其极化
压电结构纤维及复合材 料 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。 目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质
简介： 由压电陶瓷相和聚合物相组成的压电复合材料是本世纪70 年代发展起来的一种多用途功能复合材料。由于柔性聚合物相的加入, 压电复合材料的密度( Q) 、声阻抗( Z ) 、介电常数( E) 都降低了; 而复合材料的优值( d hgh) 和机电耦合系数( k t)却提高了, 这使压电复合材料能在水听器、生物医学成像、无损检测、传感器等诸多方面被广泛地用作换能器。作为水听器应用的压电材料要求有较大的静水压压电常数。现阶段研究较多的是0- 3 型和1- 3 型, 其他类型的压电复合材料也有相应的研究 研究历史： 1972 年, 日本的北山- 中村试制了PVDF- BaTiO3 的柔性复合材料, 开创了压电复合材料的历史。70 年代中后期, 美国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, 并研制了1-3 型压电复合材料。R E Newnham、D P Skinner、KA Klicker 、T R Gururaja 和H P Savakus 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复合材料的特性。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。美国纽约菲利浦实验室的W A Smith 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L W Chan 等、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, 如日本的Chitose Nakaya 等、英国的G Hayward 和R Hamilton 等人。 定义： 在压电复合材料中,各相以0、1、2、3维的方式连通,如果复合材料由两相构成,则存在10种连通方式,即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型。其中第一个数字代表压电相的连通维数,第二个数字则代表非压电相基体的连通维数。0- 3 型PZT/ 聚合物压电复合材料, 指在三维连续的聚合物基体中填充PZT 微粉。1- 3 型PZT / 聚合物压电复合材料是由PZT 压电陶瓷柱按照一定的规律排列于聚合物无功相基体中形成的, 每个PZT 柱只在厚度方向自相连接; 非压电材料的聚合物则填满周围的空间, 在 3 个方向都自相连接, 既充当着固定PZT 基体的作用, 又能对复合材料的整体性能进行调节。2- 2 型PZT / 聚合物压电复合材料各相的连通方式是陶瓷相和聚合物相分别在二维空间内各自连续而在一维方向上互相平行 3- 3 型PZT / 聚合物压电复合材料是指陶瓷材料相和聚合物相在三维空间内互相交织, 相互包络而形成的一种空间网络结构。《陶瓷_聚合物压电复合材料的国内外概况和应用展望_游达》
压电复合材料 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。 ②PbTiO3 系压电材料 PbTiO3 系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在
PbTiO3 陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑 制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3 材料。近几年，改良PbTiO3 材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 ③压电陶瓷-高聚物复合材料 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者