復(fù)合智能陶瓷(壓電陶瓷)課件

1、5.5 復(fù)合智能陶瓷 （壓電陶瓷） 復(fù)合智能陶瓷是將壓電陶瓷相和聚合物相按一定連通方式、一定體積或重量比例和一定的空間幾何分布復(fù)合而成的復(fù)合材料。一定連通方式復(fù)合智能陶瓷可以成倍地提高材料的某些電性能，并可以具有單一壓電陶瓷沒有的傳感、驅(qū)動等優(yōu)良性能。壓電復(fù)合材料在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中包括作為傳感器、驅(qū)動器、換能器的主體材料，是未來智能材料中的新型驅(qū)動件，很有發(fā)展前景。壓電復(fù)合材料的連通性：是指每相材料在空間分布上的自我連通方式, 它決定著壓電復(fù)合材料中的電場通路和應(yīng)用分布形式按照這種連通性的設(shè)計思路, 目前國際上已發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合材料, 如圖1 所示。下面僅對部分復(fù)合材料的結(jié)

2、構(gòu)、制備方法及性能加以分述。13 型壓電復(fù)合材料13型壓電復(fù)合材料是由一維的壓電陶瓷柱平行地排列于三維連通的聚合物中而構(gòu)成的兩相壓電復(fù)合材料。在13型壓電復(fù)合材料中, 由于聚合物相的柔順性遠(yuǎn)比壓電陶瓷相的好, 因此當(dāng)13型壓電復(fù)合材料受到外力作用時, 作用于聚合物相的應(yīng)力將傳遞給壓電陶瓷相, 造成壓電陶瓷相的應(yīng)力放大（靜水壓電應(yīng)變系數(shù)dn ）；同時由于聚合物相的介電常數(shù)極低, 使整個壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)大幅下降（ ）。這兩個因素綜合作用的結(jié)果使壓電復(fù)合材料的壓電電壓系數(shù)g（g= dn / ） 得到了較大幅度的提高,同時由于聚合物的加入使壓電復(fù)合材料的柔順性也得到了顯著改善, 從而使材料的綜合

3、性能得到了很大的提高。03 型壓電復(fù)合材料 03 型壓電復(fù)合材料是最簡單的形式,它是由不連續(xù)的陶瓷顆粒分散于三維連通的聚合物基體中形成的。 03型壓電復(fù)合材料柔性好、易于加工成各種形狀, 但其較難極化, 且其性能易受各種工藝的影響。33 型壓電復(fù)合材料33型壓電復(fù)合材料是指聚合物相和壓電相在三維空間內(nèi)相互交織、相互包絡(luò)而形成的一種空間網(wǎng)絡(luò)復(fù)合結(jié)構(gòu)。一般聚合物相采用環(huán)氧樹脂或硅橡膠。一般33型壓電復(fù)合材料采用有機物燒去法工藝制備, 其步聚是：將塑料球粒與壓電陶瓷粉末在有機粘結(jié)劑中均勻混合, 燒結(jié)后形成多孔陶瓷框架網(wǎng)絡(luò)；然后再填充聚合物, 經(jīng)固化、磨平、上電極后即形成33型壓電復(fù)合材料。1. 在航

4、天器方面的應(yīng)用在航空航天飛行器方面的重點研究內(nèi)容之一是智能表層。智能表層的功能之一是能夠自動檢測周圍環(huán)境的變化，并自動適應(yīng)環(huán)境；另一功能是適合于當(dāng)前電子戰(zhàn)，即具有識別、人為干擾、屏蔽通訊和電子保障系統(tǒng)。 對于材料內(nèi)部的缺陷和損傷，智能表層能夠進(jìn)行自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)，還能抑制噪聲和振動，對于航天飛行器座艙能夠自動通風(fēng)和冷卻。在航空航天飛行器方面，另一主要研究方向是翼面的氣動彈性設(shè)計。 以往的飛機在發(fā)動機推力作用下通過改變舵面的角度來提高升力，這種情況下，在升力提高的同時，阻力也增大。如果在翼面中埋入傳感元件和驅(qū)動元件，利用驅(qū)動元件改變機翼翼面下表面的曲度，就可以使機翼具有足夠的升力，并且不增

5、大阻力。航天空間站的天線，在地面上是收攏的，到高空緩慢地展開，尺寸很大又細(xì)長，形狀和方向精度要求很高。在空間無重力、無阻尼狀態(tài)下，必須采用能實現(xiàn)主動控制振動和形狀的桁（heng）架。智能張力桁架天線是由張緊的纜索元件組成的，天線的表面可以通過改變纜索元件的長度進(jìn)行控制。在天線反射面邊界上布置一批驅(qū)動器和傳感器。在天線內(nèi)還有控制驅(qū)動器的編碼器和控制電路。當(dāng)傳感器測出表面誤差不符合要求時，由控制電路通過編碼器激勵驅(qū)動器，改變纜索長度，實現(xiàn)自適應(yīng)控制。（1）在高層建筑方面的應(yīng)用混凝土在固化過程中，因水化作用或外界溫度變動會引起溫度梯度，這些溫差會引起混凝土的體積非均勻變動。當(dāng)這種非均勻變動產(chǎn)生的拉伸

6、應(yīng)力超過混凝土拉伸應(yīng)力時，將會引起結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂紋、翹曲和扭轉(zhuǎn)。要想獲得無缺陷的混凝土，在固化過程期間需要充分散發(fā)掉大量熱量。 對于以上問題，可利用埋入式光纖傳感器對大型混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)溫測量，從而便于采取措施控制混凝土的冷卻速度。 水泥石是強堿性的，對玻璃纖維有腐蝕作用。因此，埋入時表面應(yīng)進(jìn)行抗堿性涂層。埋入方法通常有以下四種。（2）在橋梁工程方面的應(yīng)用 橋梁是承受動載荷的構(gòu)建，并且易被大氣污染。因此往往要求檢測它的動載荷強度，并根據(jù)檢測結(jié)果來指導(dǎo)維修。橋梁是靜不定結(jié)構(gòu)，在橋面和橋墩之間是橋座，其功能是將載荷從橋面?zhèn)鬟f給橋墩。橋座受垂直壓力、水平剪力和扭轉(zhuǎn)力矩的作用。 在橋座中放置光纖傳感器可測橋座受載情況。加拿大一座新型兩跨度公路大橋，用碳纖維復(fù)合材料代替鋼筋，并且埋