壓電智能復(fù)合材料的應(yīng)用研究

壓電智能復(fù)合材料的應(yīng)用研究智能材料

主講內(nèi)容1.壓電材料2.智能復(fù)合材料

3.壓電智能材料的應(yīng)用

4.小結(jié)內(nèi)容綱要1.壓電材料

材料從使用性能上可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，其中結(jié)構(gòu)材料以其強(qiáng)度、韌性、硬度、彈性等力學(xué)特性為應(yīng)用依據(jù)，功能材料以其電、磁、光、聲、熱等物理性能為基礎(chǔ)，用以制作有特殊功能的器件。壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，是一類對(duì)機(jī)、電、聲、光、熱敏感的電子材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)部門和高科技領(lǐng)域。當(dāng)前的研究領(lǐng)域主要包括壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復(fù)合材料、壓電高聚物。其中壓電復(fù)合材料主要是包括PZT壓電陶瓷等。PZT壓電陶瓷作為很好的換能器材料已經(jīng)有30多年的歷史，BaTiO3作為優(yōu)良的高介材料幾乎達(dá)40年之久.磁性材料和半導(dǎo)體材料都有類似的趨勢(shì).對(duì)一些化合物的深入研究表明,改變摻雜元素的方法,不可能大幅度改進(jìn)和提高材料的性能。于是人們采用不均質(zhì)的陶瓷材料和精確控制材料的多相性來改進(jìn)單相材料的某些性能。壓電復(fù)合材料有多種復(fù)合方式.就結(jié)構(gòu)來說,有混合狀、層狀、梯形和蜂窩形;就材料而言，有PZT/聚合物、PZT/PZT（兩種PZT的組分不同）、PZT（致密）/PZT（多孔）/PZT（致密）以及其他壓電材料與聚合物的的復(fù)合材料等。利用復(fù)合技術(shù)不僅能提高材料的壓電性能、熱電性能，還能提高材料的耐壓性以及抗去極化性。當(dāng)前，壓電復(fù)合材料有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：其一是開發(fā)連接類型壓電復(fù)合材料。按壓電陶瓷相和聚合物相在復(fù)合材料中的分布狀況，可將壓電復(fù)合材料分成10中連接類型。為了實(shí)際應(yīng)用和器件小型化，一些混合連接類型和新連接類型的復(fù)合材料被開發(fā)出來；其二是改進(jìn)成型工藝。成型工藝直接影響壓電復(fù)合材料的性能，所以探測(cè)新工藝是壓電復(fù)合材料研究的一個(gè)重要方面。脫模法、注模成型法、遺留法、層壓法、纖維編制法、共擠法等可以獲得精度50-100um甚至20um左右的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為生產(chǎn)更精密的壓電復(fù)合材料提供了可能。智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料是一類基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來的高新技術(shù)材料，它實(shí)際上是集成了傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動(dòng)器的新型復(fù)合材料。其通過信息處理器作出判斷處理，并發(fā)出指令，而后通過功能驅(qū)動(dòng)器調(diào)整材料的各種狀態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自我保護(hù)等多種特殊功能，類似于生物系統(tǒng)。智能復(fù)合材料是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)交叉的產(chǎn)物，在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，如機(jī)械裝置噪音與振動(dòng)的自我控制等，飛機(jī)的智能蒙皮與自適應(yīng)機(jī)翼，橋梁與高速公路等大型結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)、自診斷、自修復(fù)功能，以及各種智能紡織品。智能復(fù)合材料的一些應(yīng)用（1）智能復(fù)合材料的組成與原理智能復(fù)合材料的功能實(shí)現(xiàn)是依靠信息的傳遞、轉(zhuǎn)換與控制。因此其功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是信息的采集與流向。智能復(fù)合材料主要由基體、傳感器、信息處理器和驅(qū)動(dòng)器組成?；w材料材料較多采用高分子物，主要作用是承載。傳感器的主要作用是感知

環(huán)境的變化（如溫度、熱、聲音、壓力、光等），并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)。這類材料（一般有敏感的感知能力）有形狀記憶合金（SMA）、壓電材料、光纖、電/磁致粘流體、光致變色材料等，尤其是光纖應(yīng)用最廣（可感覺壓力、溫度、密度、彎曲、射線等）。信息處理器核心的部分，它對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行判斷處理。構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器部分的驅(qū)動(dòng)材料在一定條件下可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，從而起到響應(yīng)和控制作用，如形狀記憶合金、磁致伸縮材料、PH致伸縮材料等。（2）智能復(fù)合材料的常見種類

1.形狀記憶合金纖維增強(qiáng)智能復(fù)合材料2.光導(dǎo)纖維智能復(fù)合材料

3.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

4.壓電智能復(fù)合材料

5.電/磁流變體智能復(fù)合材料

6.PH響應(yīng)凝膠纖維智能復(fù)合材料壓電材料在智能復(fù)合材料的中的應(yīng)用1.壓電智能復(fù)合材料的概念壓電復(fù)合材料具有壓電效應(yīng)。當(dāng)在材料上施加外力時(shí)，材料產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，而對(duì)材料表面施加外電場(chǎng)產(chǎn)生的應(yīng)變或應(yīng)力稱為反壓電效應(yīng)。即其具有將電能和機(jī)械能變換的特性，故可應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)中，特別是自適應(yīng)、減振與噪音控制等方面。將壓電材料置入飛機(jī)機(jī)身內(nèi)，當(dāng)飛機(jī)遇到強(qiáng)氣流而振動(dòng)時(shí)，壓電材料便產(chǎn)生電流，使艙壁發(fā)生和原來振動(dòng)方向相反的振動(dòng)，抵消氣流引起的振動(dòng)噪音。將壓電材料應(yīng)用于滑雪板，滑雪板受振同時(shí)，就產(chǎn)生減振反應(yīng)作用力，增強(qiáng)滑雪者的控制能力利用壓電陶瓷易于改性且易于與其他材料兼容的特點(diǎn)可制成自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。2.壓電智能復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（1）壓電智能復(fù)合材料在懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用地震和強(qiáng)風(fēng)的作用嚴(yán)重威脅土木工程結(jié)構(gòu)的安全。隨著結(jié)構(gòu)控制科學(xué)、信息技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師們從對(duì)自然界和生物進(jìn)化的學(xué)習(xí)與思考中得到啟示，提出了力圖從根本上提高工程結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命期間安全性及減小災(zāi)害影響的一條嶄新思路。即引入了智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念。壓電材料是眾多智能材料中運(yùn)用得較為廣泛的一種，利用壓電智能材料的正、逆壓電效應(yīng)，即壓電材料在外加電場(chǎng)作用下引起變形與壓電材料在變形下引起電場(chǎng)改變的特性，將壓電材料膜片黏附在結(jié)構(gòu)的表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部作為感應(yīng)器和驅(qū)動(dòng)器來觀測(cè)變形與實(shí)施變形控制，與外界控制電路一起達(dá)到抑制外界干擾的目的。（2）.基于壓電智能材料的自適應(yīng)吸聲實(shí)驗(yàn)研究在水下，傳統(tǒng)阻尼材料對(duì)頻率較高的噪聲能起到較好的吸收作用，但是對(duì)于低頻噪聲就束手無策了。針對(duì)低頻噪聲的主動(dòng)控制研究是目前的研究熱點(diǎn)，它包括主動(dòng)消聲和主動(dòng)吸聲兩個(gè)方面。主動(dòng)消聲是有德國人PaulLueg提出的，通過利用次級(jí)聲源與初級(jí)聲源兩組聲源的聲波大小相等，相位相反實(shí)現(xiàn)聲源的抵消達(dá)到降低噪聲的目的。而有別于主動(dòng)消聲是對(duì)入射聲波進(jìn)行控制，主動(dòng)吸聲方法是對(duì)發(fā)射聲波進(jìn)行控制，使入射聲波的反射系數(shù)很小或接近于零，從而達(dá)到吸聲降噪的目的。主動(dòng)吸聲常采用的方法是用一個(gè)初級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出簡(jiǎn)諧聲波，在該揚(yáng)聲裝器的對(duì)面布置另外一個(gè)次級(jí)揚(yáng)聲器，在次級(jí)揚(yáng)聲器的表面布置一個(gè)振動(dòng)傳感器，用于檢測(cè)次級(jí)揚(yáng)聲器表面的振動(dòng)速度，在次級(jí)揚(yáng)聲器的近前方布置一個(gè)麥克風(fēng)，用于檢測(cè)次級(jí)揚(yáng)聲器表面的聲壓。通過調(diào)節(jié)和控制次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波，使得次級(jí)揚(yáng)聲器表面的聲阻抗與空氣的特性阻抗相匹配，吸聲系數(shù)達(dá)到最大，從而達(dá)到主動(dòng)吸聲的目的，而該方法在實(shí)際應(yīng)用中不容易實(shí)現(xiàn)。然而采用一種新型的適用于水聲降噪的有源復(fù)合材料-PVDF壓電薄膜復(fù)合智能材料。PVDF是一種柔軟的塑性材料，PVDF壓電元件對(duì)濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度較好，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、失真小、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，特性阻抗與水相匹配，是一種比較理想的新型換能材料。PVDF壓電薄膜既可以做為傳感器，又可以作為作動(dòng)器。作為傳感器時(shí)，具有分布式傳感器的能力，往往是制作大面積水聽器的理想材料，作為作動(dòng)器時(shí)，不但可以承受很高的輸入電壓而不會(huì)被擊穿，而且可以剪裁成任意形狀以獲得很高的平面以外法相位移量。

PVDF壓電薄膜復(fù)合智能材料可代替?zhèn)鹘y(tǒng)有源吸聲系統(tǒng)中的次聲源-揚(yáng)聲器，用作次級(jí)激勵(lì)源抵消回聲信號(hào)，與空間內(nèi)一點(diǎn)的聲抵消有源控制系統(tǒng)不一樣的是，智能材料的聲抵消是在其聲學(xué)邊界上，通過給消聲材料施加交變電壓信號(hào)，可以控制其振動(dòng)速度，使得消聲材料的表面聲阻抗和入射聲信號(hào)的特性阻抗動(dòng)態(tài)匹配，形成一種連續(xù)的介質(zhì)環(huán)境，即在消聲材料的表面處不會(huì)產(chǎn)生反射，從而達(dá)到吸收反射聲波的目的。（PVDF復(fù)合智能材料是一種新型的，重量輕的激勵(lì)器，從本質(zhì)上說是一種揚(yáng)聲器或阻抗匹配器，以往對(duì)壓電復(fù)合智能材料的研究主要包括智能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)上的有源噪聲控制。從整體結(jié)構(gòu)上來講，壓電復(fù)合智能吸聲材料都是在被動(dòng)吸聲材料內(nèi)

部鑲嵌壓電材料構(gòu)成。對(duì)于PVDF薄膜這種主動(dòng)材料表面應(yīng)力與其曲率相耦合的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生彎張作動(dòng)，由薄膜的彎張作動(dòng)來產(chǎn)生復(fù)合材料的體積速度?？刂七@種彎張作動(dòng)類似于操作一個(gè)普通的揚(yáng)聲器，激勵(lì)薄膜產(chǎn)生體積速度泳衣產(chǎn)生聲音或振動(dòng)。）（3）.壓電智能骨料力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)研究隨著土木工程結(jié)構(gòu)日益向大型化、復(fù)雜化、智能化方向的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)日益與損傷識(shí)別的理論方法、實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。壓電智能材料，如鋯鈦酸鉛PZT具有傳感和驅(qū)動(dòng)于一體的優(yōu)越特性，其應(yīng)用為重大工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)與定性、定量的整體狀況損傷識(shí)別技術(shù)提供全新的思路。通過實(shí)時(shí)有效地處理來自檢測(cè)系統(tǒng)海量的不確定性的測(cè)量數(shù)據(jù)與信息，對(duì)結(jié)構(gòu)的健康情況和損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的服役狀況監(jiān)測(cè)，保證了結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性和耐久性。3.1給出了一種自行封裝的壓電智能骨料制作工藝針對(duì)壓電智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以混凝土基壓電智能材料為傳感和驅(qū)動(dòng)原件，設(shè)計(jì)一種自行封裝并與結(jié)構(gòu)相容性良好的新型多功能壓電智能骨料，作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器使用。進(jìn)一步改進(jìn)和完善了其制作工藝和封裝技術(shù)，有效的解決了傳統(tǒng)壓電材料相容性不好、耐久性差、具有易損性等方面的問題。建立了基于壓電智能骨料列陣的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系與檢測(cè)流程，為了相應(yīng)力學(xué)模型建立、力學(xué)性能分析、實(shí)驗(yàn)研究以及其實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。3.2建立了壓電傳感器的力學(xué)模型，并進(jìn)行了理論分析，數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于PZT正壓電效效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)原理，從用集總質(zhì)量法，分別建立了粘結(jié)式和埋入式PZT傳感器的力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型，考慮粘結(jié)層阻尼效應(yīng)，求解了傳感器的振動(dòng)方程及其電壓表達(dá)式。通過簡(jiǎn)諧荷載激勵(lì)下的數(shù)值模擬分析，確定了傳感器力學(xué)與電學(xué)特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步明確了各個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律。考慮不同膠層厚度和作用力影響，分別對(duì)黏貼和埋入式PZT傳感器的傳感性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與理論模型和數(shù)值分析結(jié)果相比較，驗(yàn)證了所建立的傳感模型的正確性。3.3建立了壓電驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)模型，并進(jìn)行了理論分析，數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于PZT逆壓電效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)原理，采用集總質(zhì)量法，分別建立了單片PZT沿長(zhǎng)度方向自由運(yùn)動(dòng)、黏貼式和埋入式PZT驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型。推導(dǎo)了PZT驅(qū)動(dòng)方程并求解驅(qū)動(dòng)表達(dá)式。通過數(shù)值算例，考慮膠層等性能參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，分析了驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系、膠層性能及PZT尺寸對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響。對(duì)黏貼和埋入式PZT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)模型的合理性。3.4對(duì)壓電智能骨料截面抗壓與抗剪及凍融循環(huán)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示了壓電智能骨料在抗壓及抗剪與抗凍融環(huán)境下的服役性能通過被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究壓電智能骨料在不同應(yīng)力作用下抵抗外載荷以及抗凍融循環(huán)的能力，分析了壓電骨料自身受力性能和耐久性能。結(jié)果表明：壓電智能骨料具有良好的抗壓、抗剪與抗凍融循環(huán)的能力，能夠滿足使用功能的要求。從而使其在實(shí)際工程條件下能很好地保持力學(xué)性能的穩(wěn)定性，確保與混凝土材料具有同樣的服役壽命。3.5建立了基于小波分析的混凝土結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和損傷程度、損傷率及損傷位置判定方法，并提出了基于小波分析的壓電智能骨料混凝土損傷統(tǒng)計(jì)識(shí)別算法基于壓電智能骨料的優(yōu)越特性將自行設(shè)計(jì)封裝的壓電智能骨料埋置在混凝土結(jié)構(gòu)的指定位置，利用主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)研究。建立了基于小波分析的混凝土結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和損傷程度、損傷概率及損傷位置判定方法，并提出了基于小波分析的壓電智能骨料混凝土結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計(jì)識(shí)別算法。實(shí)驗(yàn)證明了利用壓電智能骨料傳感器和驅(qū)動(dòng)器開展混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)與損傷統(tǒng)計(jì)識(shí)別技術(shù)及推廣應(yīng)用于實(shí)際工程的有效性和可行性。總而言之，壓電材料在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的壓電智能復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。小結(jié)智能化是人