壓電智慧型材料:壓電效應,壓電陶瓷,壓電聚合物,壓電複合材料,壓電材料在智慧型材料

壓電智慧型材料是一類具有壓電效應的材料。由於智慧型材料與結構的發展，賦予這類材料以極強的生命力，對於壓電元件更是如此。壓電智慧型材料可以將壓強、振動等迅速轉變為電信號，或將電信號轉變為振動信號，也就是說壓電元件既能作感測器又能作驅動器，實現了感測元件與動作元件的統一。因此可以方便地套用於智慧型材料與結構中，尤其在材料損傷自診斷、自適應、減振與噪聲控制等方面有其獨特的用途。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。其特徵和運轉方式類似於人的神經系統。可執行類似於大腦的指令。壓電材料的這種獨特功能，使其在智慧型材料系統中具有廣闊的套用前景。

基本介紹

中文名：壓電智慧型材料
外文名：Piezoelectric smart material
作用：既是感測器又是驅動器
套用：材料損傷自診斷、自適應方面
新一代材料：條件反射和指令分析
分類：壓電陶瓷、壓電聚合物等

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壓電效應

壓電效應是Pierre Curic和Jacques Curic兄弟於1880年發現的。在某些特定方向上對某些電介質晶體(α-石英晶體)施加機械應力(拉或壓)時，晶體內部正、負電荷中心將發生相對位移而產生極化，從而使晶體兩端表面出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比，這種在機械應力的作用下使電介質晶體產生極化並形成晶體表面電荷的現象稱為壓電效應(或正壓電效應)。Curie兄弟發現壓電效應以後的第二年(即1881年)，Lippmann依據熱力學方法，預先推知應有逆壓電效應存在。幾個月後，Curie兄弟便用實驗方法驗證了這一點。

壓電陶瓷

①Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷是最早發現的具有鐵電性的三元系固溶體,也是套用較為廣泛的三元系統。由於Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃的居里溫度為-15℃，室溫下為順電體，介電常數很大，故隨著Pb( Mg_1/3Nb_2/3)O₃含量的增加,固溶體的介電常數增大、居里溫度降低、機電耦合係數減小。若採用添加不等價離子化合物或用Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺等置換Pb²⁺的方法對該三元系統進行改性，其性能還可進一步最佳化。這類材料廣泛地套用於拾音器、微音器、濾波器、變壓器等方面。

②Pb( Mg_1/3Sb_2/3)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的特點是耦合係數不高，但可以在較寬的範圍內調節，並且其機械品質因數高，介質損耗小，具有優良的穩定性，在陶瓷濾波器和機械濾波器的換能器套用方面具有獨特的優勢。

③Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃-PZT三元系壓電陶瓷

該三元系壓電陶瓷的主要特點是諧振頻率的溫度穩定性好，受機械力和電氣負荷影響小，抗老化性能優良。本系材科在大功率超聲發生器、高電壓發生裝置以及其他機電換能器上套用較多，尤其適用於惡劣環境中的套用。

壓電聚合物

壓電陶瓷雖然材料體系比較成熟，套用廣泛，但是壓電陶瓷非常脆，不適合於大面積鋪放。壓電聚合物的出現，解決了這個問題。聚偏二氟乙烯(PVDF)是典型的聚合物壓電材料，20世紀60年代末期,其壓電效應被日本人發現。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屬於半結晶型聚合物，主要有兩種晶型，在晶型I中，分子構型是鋸齒形的，每個晶胞由兩個鏈與兩個單體單元組成；在晶型I中，聚合物鏈為TGTG'型(反式-反左式-反式-反右式)構型，每個晶胞由兩個鏈與四個單體單元組成。

壓電複合材料

PVDF的主要缺點是受使用溫度的限制，一般不能超過100℃，而壓電陶瓷的使用溫度可達20℃，由於壓電陶瓷與聚合物在力學性能和介電性能方面存在很大差異，故二者複合可以優勢互補，克服壓電陶瓷的脆性和壓電聚合物受溫度限制的缺點。壓電複合材料的出現、套用和發展始於20世紀80年代初期，將壓電聚合物和壓電陶瓷按一定的組分比例(如體積比或質量比)、空間幾何分布及連通方式複合在一起，使之兼具壓電陶瓷和壓電聚合物的優點，並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變係數較高，但是它的壓電電壓係數卻較低，這限制了它在超聲測量方面的套用，壓電複合材料很好地克服了這個缺點。由於壓電性具有張量性質，故可以根據條件計算出複合材料性能的優值，再通過設計及複合工藝提高這些優值的張量係數，而減小另一些張量係數，從而實現複合後的性能優勢。

壓電材料在智慧型材料系統中的套用

(1)驅動器方面的套用。這個方向更多的研究集中在主動控制上，智慧型材料系統中最成熟的套用領域大概就是對振動和噪聲的主動控制。它是指採用智慧型控制方法有選擇地控制輻射振動模。因為並不是所有的振動模都輻射“具有危險性”的聲波，減少系統的質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”輻射“具有危險性”的輻射波振動模，並使用分布在整個結構中的驅動器(壓電材料或電致流變體)對產生的該振動模進行控制。即利用壓電陶瓷感測和驅動作用相結合，實現壓電陶瓷的動態柔度係數可調。利用這種剛度的自適應，便可控制結構的振動。選擇壓電陶瓷(電致伸縮材料)作為驅動器，考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩定性和溫度/環境效應等問題，同時還要考慮控制器的小型化。

(2)感測器方面的套用

壓電材料首選的套用就是做壓力感測器。如壓電聚合物PVDF材料可以做得很薄(200~300 μm或更薄)，可貼於物體表面，很適合做感測器，故自1969年以來很快得到套用。單軸膜(只有一個極化方向)可以測量單向應力，雙軸膜則可測定平面應力。由於它對壓力十分敏感，所以常用於觸覺感測器，識別布萊葉盲文字母和區分砂紙級別。PVDF膜在機器人上做觸覺感測器、可感知溫度、壓力；採用不同模式可以識別邊角、棱等幾何特徵。還有報導稱這種膜已用於檢測和監控鋁結構和硼/環氧樹脂複合材料修復情況及複合材料結構的衝擊損傷。

壓電智慧型材料