[科普中國(guó)]-壓電智能材料

壓電智能材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料。由于智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展，賦予這類材料以極強(qiáng)的生命力，對(duì)于壓電元件更是如此。壓電智能材料可以將壓強(qiáng)、振動(dòng)等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)信號(hào)，也就是說(shuō)壓電元件既能作傳感器又能作驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了傳感元件與動(dòng)作元件的統(tǒng)一。因此可以方便地應(yīng)用于智能材料與結(jié)構(gòu)中，尤其在材料損傷自診斷、自適應(yīng)、減振與噪聲控制等方面有其獨(dú)特的用途。而且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力。其特征和運(yùn)轉(zhuǎn)方式類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)?？蓤?zhí)行類似于大腦的指令。壓電材料的這種獨(dú)特功能，使其在智能材料系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是Pierre Curic和Jacques Curic兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。在某些特定方向上對(duì)某些電介質(zhì)晶體(α-石英晶體)施加機(jī)械應(yīng)力(拉或壓)時(shí)，晶體內(nèi)部正、負(fù)電荷中心將發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，從而使晶體兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比，這種在機(jī)械應(yīng)力的作用下使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)(或正壓電效應(yīng))。Curie兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以后的第二年(即1881年)，Lippmann依據(jù)熱力學(xué)方法，預(yù)先推知應(yīng)有逆壓電效應(yīng)存在。幾個(gè)月后，Curie兄弟便用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了這一點(diǎn)。1

壓電陶瓷①Pb( Mg1/3Nb2/3)O3-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷是最早發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的三元系固溶體,也是應(yīng)用較為廣泛的三元系統(tǒng)。由于Pb( Mg1/3Nb2/3)O3的居里溫度為-15℃，室溫下為順電體，介電常數(shù)很大，故隨著Pb( Mg1/3Nb2/3)O3含量的增加,固溶體的介電常數(shù)增大、居里溫度降低、機(jī)電耦合系數(shù)減小。若采用添加不等價(jià)離子化合物或用Ba2+、Sr2+、Ca2+等置換Pb2+的方法對(duì)該三元系統(tǒng)進(jìn)行改性，其性能還可進(jìn)一步優(yōu)化。這類材料廣泛地應(yīng)用于拾音器、微音器、濾波器、變壓器等方面。

②Pb( Mg1/3Sb2/3)O3-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的特點(diǎn)是耦合系數(shù)不高，但可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，介質(zhì)損耗小，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，在陶瓷濾波器和機(jī)械濾波器的換能器應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

③Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的主要特點(diǎn)是諧振頻率的溫度穩(wěn)定性好，受機(jī)械力和電氣負(fù)荷影響小，抗老化性能優(yōu)良。本系材科在大功率超聲發(fā)生器、高電壓發(fā)生裝置以及其他機(jī)電換能器上應(yīng)用較多，尤其適用于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。

壓電聚合物壓電陶瓷雖然材料體系比較成熟，應(yīng)用廣泛，但是壓電陶瓷非常脆，不適合于大面積鋪放。壓電聚合物的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題。聚偏二氟乙烯(PVDF)是典型的聚合物壓電材料，20世紀(jì)60年代末期,其壓電效應(yīng)被日本人發(fā)現(xiàn)。PVDF以偏氟乙烯(CH2=CF2)作為單體聚合而成，其分子式為CH2一CF2。PVDF屬于半結(jié)晶型聚合物，主要有兩種晶型，在晶型I中，分子構(gòu)型是鋸齒形的，每個(gè)晶胞由兩個(gè)鏈與兩個(gè)單體單元組成；在晶型I中，聚合物鏈為T(mén)GTG'型(反式-反左式-反式-反右式)構(gòu)型，每個(gè)晶胞由兩個(gè)鏈與四個(gè)單體單元組成。1

壓電復(fù)合材料PVDF的主要缺點(diǎn)是受使用溫度的限制，一般不能超過(guò)100℃，而壓電陶瓷的使用溫度可達(dá)20℃，由于壓電陶瓷與聚合物在力學(xué)性能和介電性能方面存在很大差異，故二者復(fù)合可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，克服壓電陶瓷的脆性和壓電聚合物受溫度限制的缺點(diǎn)。壓電復(fù)合材料的出現(xiàn)、應(yīng)用和發(fā)展始于20世紀(jì)80年代初期，將壓電聚合物和壓電陶瓷按一定的組分比例(如體積比或質(zhì)量比)、空間幾何分布及連通方式復(fù)合在一起，使之兼具壓電陶瓷和壓電聚合物的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠成倍地提高材料的壓電性能。例如壓電陶瓷的壓電應(yīng)變系數(shù)較高，但是它的壓電電壓系數(shù)卻較低，這限制了它在超聲測(cè)量方面的應(yīng)用，壓電復(fù)合材料很好地克服了這個(gè)缺點(diǎn)。由于壓電性具有張量性質(zhì)，故可以根據(jù)條件計(jì)算出復(fù)合材料性能的優(yōu)值，再通過(guò)設(shè)計(jì)及復(fù)合工藝提高這些優(yōu)值的張量系數(shù)，而減小另一些張量系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合后的性能優(yōu)勢(shì)。1

壓電材料在智能材料系統(tǒng)中的應(yīng)用(1)驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用。這個(gè)方向更多的研究集中在主動(dòng)控制上，智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域大概就是對(duì)振動(dòng)和噪聲的主動(dòng)控制。它是指采用智能控制方法有選擇地控制輻射振動(dòng)模。因?yàn)椴⒉皇撬械恼駝?dòng)模都輻射“具有危險(xiǎn)性”的聲波，減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素。因而最好的辦法是“感覺(jué)”輻射“具有危險(xiǎn)性”的輻射波振動(dòng)模，并使用分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器(壓電材料或電致流變體)對(duì)產(chǎn)生的該振動(dòng)模進(jìn)行控制。即利用壓電陶瓷傳感和驅(qū)動(dòng)作用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)柔度系數(shù)可調(diào)。利用這種剛度的自適應(yīng)，便可控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。選擇壓電陶瓷(電致伸縮材料)作為驅(qū)動(dòng)器，考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度/環(huán)境效應(yīng)等問(wèn)題，同時(shí)還要考慮控制器的小型化。

(2)傳感器方面的應(yīng)用

壓電材料首選的應(yīng)用就是做壓力傳感器。如壓電聚合物PVDF材料可以做得很薄(200~300 μm或更薄)，可貼于物體表面，很適合做傳感器，故自1969年以來(lái)很快得到應(yīng)用。單軸膜(只有一個(gè)極化方向)可以測(cè)量單向應(yīng)力，雙軸膜則可測(cè)定平面應(yīng)力。由于它對(duì)壓力十分敏感，所以常用于觸覺(jué)傳感器，識(shí)別布萊葉盲文字母和區(qū)分砂紙級(jí)別。PVDF膜在機(jī)器人上做觸覺(jué)傳感器、可感知溫度、壓力；采用不同模式可以識(shí)別邊角、棱等幾何特征。還有報(bào)道稱這種膜已用于檢測(cè)和監(jiān)控鋁結(jié)構(gòu)和硼/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料修復(fù)情況及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)