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。
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
浅谈水泥基混凝土复合材料 姓名：陈聪学号：S11085213015 专业：建筑与土木工程44班 摘要: 随着社会快速发展，单一的水泥材料已经不能满足人们日常工程需求，高性能水泥基复合材料既是在近代科技成就的基础上发展起来的，又将在高新技术工程领域中开发应用。本文结合相关论文资料[1]对近年来出现的几种高性能水泥基复合材料进行了初步阐述。 关键词: 高性能水泥基功能复合材料发展状况困惑展望 Abstract:With the development of society, single cement material already can't satisfy people's daily engineering requirements, high performance cement-based composite materials is developed on the basis of modern scientific and technological achievements, and in the development of new and high technology in the field of engineering application. Based on the related papers [1] to the trend in recent years several high performance cement-based composite material has carried on the preliminary in this paper. Keywords:High performance cement-based functional composites; status of development ; Perplexity; Prospect; 第一章前言 论文[1]介绍了国内外水泥基功能复合材料的研究进展及应用，重点对几种重要的水泥基功能复合材料，如导电、压电、介电、磁性、屏蔽等材料的组成、特性、工艺及发展状况进行了综述。 通过查询相关资料[4]，对水泥基功能复合材料有了初步的了解，功能材料是指通过光、电、磁、力、热、化学、生物化学等作用后，具有特定功能（导电性、压电性、热电性、磁性和防辐射性）的新材料[1]。随着科学技术的迅速发展，功能单一的传统水泥材料，已不能适应日新月异的多功能工程需要，现代建筑对水泥基复合材料提出了新的挑战，不仅要求水泥基复合材料要有高强度，而且还应具有声、光、电、磁、热等功能，以适应多功能和智能
[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
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ，它表示应力与所产生的电场的关系，或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示，它是
压电陶瓷颗粒粒度对水泥基压电复合材料性能的影响 黄世峰?, 李雪, 常钧, 王守德, 程新 （济南大学材料学院，济南，250022） 摘要：以铌锂锆钛酸铅[0.08Pb(Li1/4Nb3/4)O3·0.47PbTiO3·0.45PbZrO3][简称PLN]为功能体，硫铝酸盐水泥为基体制备了0-3型水泥基压电复合材料，重点讨论了PLN颗粒粒度对水泥基压电复合材料的压电性能、介电性能和铁电性能的影响，结果表明：在PLN含量和制备工艺相同的条件下，当PLN粒度小于约50μm时，随着PLN颗粒粒度的增大，复合材料的压电应变常数d33、压电电压常数g33、介电常数εr和介电损耗tgδ急剧增大，但当PLN颗粒粒度超过100μm时，其值几乎不受PLN粒度的影响；PLN颗粒粒度对平面机电耦合系数K p 的影响较小；随着粒度的增大，剩余极化强度P r和矫顽电场强度E c均增大。 关键词：压电陶瓷；水泥基压电复合材料；压电性能；机电耦合性能；颗粒粒度 中图分类号：TB332；TU525文献标示码：A Effect of Piezoelectric Ceramic Particle Size on Cement Based Piezoelectric composite Huang Shifeng, Li Xue, Chang Jun , Cheng Xin (School of Material Science and Engineering ,Jinan University,Jinan 250022,China) Abstract:The sulphoaluminate cement and a piezoelectric creamic, 0.08Pb(Li Nb3/4) 1/4 O3·0.47PbTiO3·0.45PbZrO3[PLN], were used to fabricate 0-3 cement based piezoelectric composites. The dependence of PLN particle size on piezoelectric and dielectric properties of the composites were discussed. The results show that under the condition with the same PLN content and fabricating technics, when PLN particle size is less than 50μm, the piezoelectric and dielectric properties of the composites increase rapidly as PLN particle size increases. When PLN particle size is larger than 100μm, the value of d33, g33, εr and tgδ is nearly independent of the PLN particle size. The PLN particle size has little effect on the planar mechanical coupling K p. The coercive field E c and remanent polarization P r of the composites increase as the PLN particle size increases. Key words: piezoelectric ceramic; cement based piezoelectric composites; piezoelectric properties; dielectric constant; electromechanical coupling coefficient; particle size ?基金项目：国家自然科学基金（50672032）；山东省自然科学基金基金（Y2005F08）。 作者简介：黄世峰（1969～），男，副教授。
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、
压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压
压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：
水泥基功能复合材料、器件及混凝土结构监测 1.成果名称及应用领域 团队长期致力于土木工程结构健康监测方面的相关研究工作，在结构超声诊断、结构 损伤定位、应力/应变监测、交通监测等方面显示了一定的优势。研究成果涉及压电材料 与传感器技术 、超声监测技术 、结构应力/应变监测技术、声发射结构损伤监测技术、压 电交通监测技术。 为有效解决了传统智能材料与混凝土相容性差的问题，开发了一系列压电复合材料与 传感器，包括声发射传感器、应力监测传感器 、超声传感器和压电交通传感器，用于大 型混凝土工程结构健康监测。 声发射传感器的应用领域：确定声发射源的部位、分析声发射源的性质、确定声发 射发生的时间或载荷、评定声发射源的严重性。其特点是工作频率范围宽、灵敏度高，能 够有效覆盖混凝土的损伤频段。 压力传感器的应用领域：通过在道路或桥梁引桥处埋设交通传感器，监测车辆速度、流量及载重等，实现超载、超速预警。其特点是传感器成本低、安装简单、监测设备简单。 超声传感器的应用领域：可作为埋入式传感器用于各种类型的混凝土结构损伤超声 探测。 其特点是造价低、与混凝土相容性好、精度高且耐久性良好。 正交异性压电传感器的应用领域：在不同应力方向上具有不同的感知灵敏度，主要 应用于混凝土结构的损伤源定位。 目前，研发的水泥基压电复合监测系统已经在京沪高铁、胶州跨海大桥及南水北调等 国家重点工程，取得了显著的社会和经济效益 2.预期效益 随着大型土木工程结构的不断涌现和已有的建（构）筑物不断老化，重大工程的安全 性已引起人们的密切关注。为保障重大土木工程结构的安全性、适用性与耐久性，采用监 测材料对其实施在线健康监测是各国政府关注的焦点。 与其它用于混凝土结构健康检/监测的监测材料相比，水泥基压电传感器不仅与混凝 土相容性好，性能优良，而且需外部设备少，价格低廉。 目前，淄博宇海电子陶瓷有限 公司、保定市宏声声学电子器材有限公司采用我们研发的压电复合材料与器件及其制备技术，已生产出0‐3型、1‐3型、1‐3‐2型和2‐2型等多种类型的压电复合材料及器件； 北京 软岛科技有限公司、北京一洋应振测试技术有限公司、山东广信工程试验检测集团有限公 司等配套采用了水泥基压电超声、声发射等传感器，替代了国内外价格昂贵的同类产品， 产生了良好的经济和社会效益。
压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。
m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。
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
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/a66582140.html, 压电复合材料的应用与分析 作者：涂远 来源：《建材发展导向》2014年第03期 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（主要包括压电晶体、压电陶瓷及压电聚合物）因存在明显的缺点而在实际应用中受到了很大的限制。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，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