功能复合材料-3-压电复合材料.ppt

1、2020/8/31,功能复合材料,1,3. 1 概述,3. 压电复合材料,压电材料是指具有压电效应的材料，即在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料。它广泛应用于换能器，实现机械能与电能之间的相互转换。,2020/8/31,功能复合材料,2,压电材料可以分为下面五类： (1)单晶材料，如石英、磷酸盐等； (2)陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅等； (3)高分子聚合物，如聚氯乙烯等； (4)复合材料，如PZT/聚合物等； (5)玻璃陶瓷，如SrTiO3等。,2020/8/31,功能复合材料,3,压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式，一定的体积/重量

2、，及一定的空间分布制作而成，它可以成倍地提高材料的压电性能。,2020/8/31,功能复合材料,4,以PZT/聚合物为例，其水声品质因子gh dh 值提高l3倍(gh为压电体的压电系数；dh为压电体的电荷系数)。 此外，复合材料使加工性能，以及与水的匹配性也大为改善。,2020/8/31,功能复合材料,5,为了从本质上极大地提高材料的压电性能，将二元复合材料进一步复合向三元或更多元方向发展，可望获得更为优异的压电复合材料。,2020/8/31,功能复合材料,6,例如： 锆钛酸铅(PZT)和聚合物(P)，即PZTP； 钛酸铅(PT)和聚合物(P)，即PTP； 两大二元系复合材料的再复合。,202

3、0/8/31,功能复合材料,7,这两大复合材料各有优缺点： 其中，PZTP中的PZT压电活性大，但其各向异性较小； PTP中PT的压电活性小，但其各向异性大。,2020/8/31,功能复合材料,8,当实现三相复合，即PZTPTP，势必会体现出两相系统所没有的性能，这一方向是目前复合压电材料的发展方向。,2020/8/31,功能复合材料,9,下面的关系图说明了这一方向的发展,压电复合材料的发展,2020/8/31,功能复合材料,10,3. 2 压电复合材料的性能及制备方法,Newnham等在1978年首先提出了压电功能复合材料中各相“联结方式”的概念，即各相材料在空间分布的自身联通方式，它决定着

4、压电功能复合材料的电场通路和应用分布形式。,2020/8/31,功能复合材料,11,3.2.1 0-3型压电功能复合材料,是由不连续的陶瓷颗粒（0维）分散于三维连通的聚合物基体中形成的。适应性强，可做成薄片、棒、线材及各种复杂形状；但较难极化，且性能易受工艺影响。,Gururaja等对0-3型压电复合材料极化问题、压电相的选择及制备方法进行了详述。,2020/8/31,功能复合材料,12,1. 极化较难是由于压电填充相上的极化电场强度远小于外加极化电场强度。 2. 选择压电相需要考虑的一个重要参数是材料的长径比c/a。 c/a大的压电相可以获得大的自发应变。 3. 材料性能还与复合的制备方法有

5、密切关系。用化学方法制备的高纯、均匀的复合材料对于改善性能有显著作用。 制备0-3型复合材料的简单工艺流程：,2020/8/31,功能复合材料,13,2020/8/31,功能复合材料,14,3.2.2 1-3型压电功能复合材料,是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电功能复合材料。设计该构型的初衷是考虑到聚合物相比陶瓷相柔软，可以有效传输应力，使应力的放大作用及外加整体介电常数减小，从而实现压电系数gh的增加。聚合物的高泊松比产生的内应力减小了应力放大系数，所以几乎所有1-3型压电功能复合材料的压电系数不如所期望的高。,2020/8/31,功能复合材料,15,降低聚

6、合物泊松比，增强复合材料压电性能的途径： （1）向聚合物相加入发泡剂或玻璃球引入气孔，可使制得的复合材料的水声性能有所改善； （2）使压电陶瓷柱和周围聚合物相不直接接触，应力传输通过兼做电极的两块金属板实现。 （3）通过横向增强的方法增加应力放大系数，起到减小g31而不影响g33的作用，从而使材料的静水压压电系数得以提高。,2020/8/31,功能复合材料,16,1. 排列-浇铸法 2. 切割-浇铸法 3. 模具-浇铸成型法 4. 注射法 流延-叠层法、喷射-加工法、超声研磨法等。,1-3型压电功能复合材料的制备方法由以下几种：,2020/8/31,功能复合材料,17,3.2.3 其它类型的压

7、电功能复合材料,1. 3-0型压电功能复合材料 压电相是在三维方向上连通的，而基体相互之间不连通。 2. 3-1型和3-2型压电功能复合材料 压电相是三维连通的，而聚合物基体则仅在一维或两维连通。 3. 3-3型压电功能复合材料 两相在三维方向都是自连通的，且可分为珊瑚复合型、有机烧去型、夹心型、梯形格式及烛光造孔型。,2020/8/31,功能复合材料,18,3.3 压电功能复合材料的研究进展,3.3.1 常规压电功能复合材料的研究进展,目前研究最多的1-3型压电功能复合材料研究进展： 1. 用X射线深度刻蚀照版法制得PZT棒状，然后制成1-3型复合材料，具有很好的压电效应。 用于宽带声发生器

8、填充PZT的1-3型压电功能复合材料，采用“共振分散设计”。 3. 研究了以PZT为填充相的1-3型压电功能复合材料的振动特性。,2020/8/31,功能复合材料,19,4. 对于不同陶瓷含量的1-3型复合材料，以及复合材料电子阻抗谱和材料的横向效应进行了研究。 5. 对于PZT/硅橡胶的1-3型复合材料，以切割方式研究了不同体积含量的PZT和不同棒条大小的陶瓷的影响。发现具有低弹性模量的高弹性体可提高g33和抑制谐振的径向模式的振动。采用超声切割法制得的材料，其g33值较激光切割法所得材料的要高。 6. 研究了1-3型压电功能复合材料中压电相的取向方式的响应特性。 7. 利用电场效应将0-3型复合材料转变为1-3型结构，即所谓的电介基效应。,对0-3型压电功能复合材料的研究主要集中在薄膜化方面。,2020/8/31,功能复合材料,20,3.3.2 压电功能复合材料的理论研究,理论研究非常活跃。如，对含有空间定向埋入相的压电复合材料的有效电弹性性能进行了分析，提出了一个微观力学模型来估计压电功能复合材料的的电、热和弹性性能，并将其用于研究微观结构和性能的关系。,2020/8/31,功能复合材料,21,3.3.3 利用横向压电效应的新型压电功能复合材料,常规的压电功能复合材料，主要是利用其纵向效应，并且用适当的方式来消除横向