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1、第3 0 卷第4 期2 0 0 9 年1 2 月陶瓷学报J O I 瓜N A LO FC E RA M I C SV 0 1 3 0，N o 4D e c 2 0 0 9文章编号：1 0 0 0-2 2 7 8(2 0 0 9)0 4-0 4 3 2-0 61 3 型压电陶瓷纤维复合材料性能的理论分析与实验研究戴永i，2骆英2(1 江苏省苏州中学，苏州：2 1 5 0 0 7；2 江苏大学机械工业机械结构损伤检测评估技术重点实验室，镇江：2 1 2 0 1 3)摘要针对1 _ 3 型正交异性压电陶瓷纤维复合材料(P i e z o c e r a m i c s F i b e r C o m
2、 p o s i t e，P F C)的构造原理，通过建立有限元模型，分析了叉指形电极关键尺寸和压电陶瓷纤维直径等对其传感性能的影响，并通过实验对制备的1-3 型P F C 传感元件的正交异性特性进行了验证，仿真及实验结果表明该传感元件具有明显的正交异性，能区分不同方向的应力波，减小电极中心距和纤维直径能提高传感元件的传感性能。关键词P F C，有限元，性能参数，传感性能，正交异性中图分类号：T Q l 7 4 7 5 文献标识码：A2P F C 有限元建模1 前言压电陶瓷复合材料是由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。采用合适的复合材料
3、及连通结构形式，能优化材料的性能，压电陶瓷纤维复合材料(P i e z o c e r a m i c sF i b e rC o m p o s i t e，P F C)作为先进材料有许多传统材料所无法比拟的优越性，在航空航天、建筑、交通、机械、化工、电子技术等领域得到了越来越广泛的应用 2 1。目前，P F C 主要有三种形式：1-3C o m p o s i t es 圈，A c t i v eF i b e rC o m p o s i t e(A F C)间，M a c r oF i b e rC o m p o s i t e(F C)阎，这三种是埋置式，与传统的单片式压电陶瓷驱动
4、器相比，机电耦合系数和强度韧性较高，但接收信号各方向反射干扰较大。在前人研究基础上，文中对自行设计的可粘贴式l-3型P F C 传感元件传感性能的影响因素进行了有限元仿真分析，并通过实验验证了其独特的正交异性，能区分特定方向应力波信号，从而为叉指式l _ 3 型P F C 的优化设计提供了指导。2 1 理论基础本文所设计的l 一3 型P F C 是由一维连通的压电陶瓷纤维相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电陶瓷复合材料，其结构形式如图1 所示。压电陶瓷材料压电效应的物态方程反映了晶体图11 3 型P F C 传感元件结构示意图F i g 1S t r u c t u r eo f1-
5、3m o d eP F Cs e n s o re l e m e n t电学量(E 一电场强度，D 一电位移)和力学量(盯一应力，一应变)之间的相互关系。根据传感元件使用方收稿日期：2 0 0 9-1 0-1 6基金项目：国家“8 6 3”基金资助项目(编号：2 0 0 9 A A 0 3 2 1 0 7)，国家自然科学基金资助项目(编号：5 0 8 7 5 1 1 4)，江苏省研究生创新基金(编号：C X 0 8 B-0 3 7 Z)通讯联系人：骆英，E-m a i l：l u o y i n g u j s e d u 万方数据陶瓷学报)2 0 0 9 年第4 期4 3 3图21 3 型
6、P F C 传感元件电场示意图F i g 2E l e c t r i cf i e l ds k e t c ho f1-3m o d eP F C 妻=f 亨3 言1 言11 三i】+【乏u 三。1 差1图31-3 型P F C 传感元件有限元模型(局部)F i g 3F i n i t ee l e m e n tm o d e lo f1 3m o d eP F Cs e n s o re l e m e n t电场还是工作电场，决定其结构的因素是分支电极结构、压电陶瓷纤维直径D 和纤维间距L。分支电极的关键尺寸包括：电极中心距P、电极宽w。2 2 有限元建模采用A N S Y S 软
7、件进行有限元分析时，可假设三个条件，忽略元件各个部分极化强度和极化方向的差别【1,9 1：(1)极化方向平行于x 轴；(2)沿分支电极中心线，极化方向相反；(3)极化强度均匀分布。压电陶瓷纤维材料采用P Z T-5 H，由于电极层忽略不计，建立有限元模型时，电压直接加在压电陶瓷材料表面。分析单元采用1 0 节点四面体单元S O L I D 9 8。模型平面结构尺寸为5 6 m mX1 5 m m。建立叉指式电极P F C 传感元件有限元模型时，沿每个分支电极的中心线把整体划分为N+1 个(N 为分支电极的个数)部分几何体，对应每个部分实体分别建模。按照自底向上的原则，由点到线及面，在部分实体的
8、上、下表面根据电极尺寸P、w 建立电极面，用布尔运算划分不同电极区域，再粘接实体。在分配单元属性时，对相邻部分实体模型设定压电常数符号相反的材料常数，划分网格采用智能尺寸网格工具。建立的有限元模型如图3 所示。3 材料组分的几何尺寸对传感性能的影响3 1 压电陶瓷纤维直径中对传感性能的影响电极间距P=1 2 t u r n，相邻纤维间隔L=0 2 r a m，分支电极面的宽度W-0 1 m m，陶瓷纤维直径D 从o 1 m m 到l m m 变化，陶瓷纤维直径变化与P F C 传感元件感应的电位移之间关系如图4 所示。万方数据陶瓷学报)2 0 0 9 年第4 期纤维直径o(帆)图4 陶瓷纤维直
9、径谚与电位移接收的关系F i g 4T h er e l a t i o no faa n de l e c t r i cd i s p l a c e m e n t纤维间隔L(m m)图6 陶瓷纤维间隔L 与电位移接收关系F i g 6T h er e l a t i o no fLa n dr e c e i v i n gv o l t a g e可见，随着压电陶瓷纤维直径的增大，在两个方向上电位移接收呈现出减小的趋势。当陶瓷纤维达到0 4 m m 时，这种趋势变小，可见陶瓷纤维直径越小，在陶瓷纤维长度方向上极化就越充分。3 2 分支电极间距对传感性能的影响压电陶瓷纤维直径D=0 4
10、 m m，相邻纤维间隔L=0 2 m m，分支电极面的宽度W=0 1 m m。电极间距从0 6 到2 0 变化，其变化规律如图5 所示。复合材料所采用的交叉电极间距越大，电极面上接收的电压值就越高。这种增幅的趋势几乎成线性增长。而且，在X 和Z 这两个方向上，正交异性的特性较为明显。但是随着电极间距增大，压电相所需充分极化的电压随之增大，当极化电压超过压电陶瓷和环氧树脂的耐压强度时就容易击穿材料，破坏材料的性能。理论仿真时，假设材料充分极化，实际加工制作的结果与计算数值将有较大的差距。3 3 陶瓷纤维间隔对传感性能的影响电极间距P(m r n)图5 电极间距P 与电压接收的关系F i g 5T
11、 h er e l a t i o no fPa n dr e c e i v i n gv o l t a g e电极宽度w(m m)图7 分支电极面宽度W 与电压接收关系F i g 7T h er e l a t i o no fWa n dr e c e i v i n gv o R a g e压电陶瓷纤维直径D=0 4 m m，电极间距P=1 2 r a m，分支电极面宽度W=O 1 m m，纤维间隔L 与接收电压间的变化规律仿真结果如图6 所示。随着陶瓷纤维之间间隔L 的增大电极面两方向上接收的电位移在增大，但当L-O 5 m m 以后，曲线呈下降趋势，在两方向上都表现得较为明显。复
12、合材料中基体材料对压电陶瓷具有应力放大作用，L 的变化直接影响着复合材料中压电相与聚合物相的体积比V。的变化，在P F C 制备中，根据仿真结果，陶瓷纤维间隔为0 5 m m，经分析其体积比v c 一般控制在3 0 一6 0 可以获得较优性能。3 4 分支电极面宽度对传感性能的影响压电陶瓷纤维直径谚=0。4 r n m，交叉电极间距P=I 2 m m，陶瓷纤维间隔L=O 2 m m，分支电极面宽度w 与接收电压问的变化关系仿真结果如图7 所示。可见，分支电极面宽度从0 1 m m 0 3 5 m m 变化时，随着分支电极面宽度的增加，复合材料在x、z 方万方数据陶瓷学报)2 0 0 9 年第4
13、 期长宽比8长宽比8(a)分支电极间距b 一定时的变化规律C o)分支电极间距b 不同时的变化规律图8 材料的长宽比对复合材料性能影响F i g 8T h ee f f e c t so n6a n dc o m p o s em a t e r i a lp r o p e r t y图91 3 型P F C 传感元件实物图(局部)F i g 91-3m o d eP F Cs e n o re l e m e n tp r o d u c t向上的接收电位移下降，正交异性特性减弱，使用较小宽度的电极面，能够增强传感元件的传感性能和正交异性特性。3 1 5 长宽比对传感性能的影响一定材料组分
14、体积比条件下的长宽比指的是分支电极间距b 和单根压电陶瓷纤维直径a 之间的比值8。陶瓷纤维直径不同，而其它条件相同的情况下(即分支电极间距相等、分支电极面宽度一定和纤维之间间隔相等)长宽比对材料性能的影响，如图8(a)所示。分支电极间距一定(b-1 5 r a m)的条件下，随着长宽比8(此时陶瓷纤维越来越细)增大，在x 和z两个方向上接收的电压值增大，在长宽比值为4 之前，两个方向上接收的电压值增大趋势很小，之后两方向接收的电压值迅速增大，而z 方向上接收值增大的趋势没有x 方向上大，从中可以看出这两个方向上存在着明显的正交异性特性。压电陶瓷纤维直径一定(a-o 4 r a m)，分支电极间
15、图1 0P F C 传感元件测试装置图F i g 10T h et e s t i n ge q u i p m e n to fP F Cs e n s o re l e m e n t距不同，而其它条件不变。如图8(b)所示，随着长宽比的增大，两个方向上接收的电压值几乎成线性增大，这时压电相和聚合物相的体积比是个定值，因此接收的电压几乎成线性增长。41-3 型P F C 传感元件正交异性测试按仿真分析结果制备的P F C 传感元件如图9 所示，尺寸为9 蚰x1 3I n I nx0 7 6 r a m，电极间距1 5 m m，纤维间距0 5 m m，极化电压2 6 0 0 V，1 0 根纤
16、维直径0 4 m m，本实验是在环氧薄板(t 0 0 0 m mx1 0 0 0 m mXS m m)上采用断铅(铅芯直径为0 5 m m，硬度2 H)的方式获得激励信号，验证其用作传感元件时的正交异性特性。试验布置如图1 0 所示。将P F C 传感元件粘贴于环氧树脂薄板上，沿着压电陶瓷纤维的纵向分别与其成0。、3 0 0、4 5 0、6 0 0、9 0。方向画出测线，并在其线上以等间距5 0 r a m 标出各个断铅万方数据陶瓷学报 2 0 0 9 年第4 期图1 1 测试结果F i g。11T e s tr e s u l t s点，采用A g l e n t 5 4 8 2 0 A 示
17、波器采集信号。测试结果如图l l 所示。在同一间距情况下，随着夹角增大，传感元件接收的电压变化非常明显。从5 0 m m 处的测试图线可以清晰的看出来，在6 0 0 方向至9 0。方向上，接收信号较弱，验证了l-3 型P F C传感元件正交异性特性：在压电陶瓷纤维X 方向(因交叉电极和陶瓷纤维纵向方向相垂直，极化方向沿着陶瓷纤维纵向，即X 方向)接收应力波响应最强。但随着距离增大，其正交异性性能降低。5 结论基于A N S Y S 仿真分析与试验验证设计了一种1 _ 3 型正交异性P F C 传感元件，通过仿真与测试结果分析表明：(1)压电陶瓷纤维越细，P F C 元件的接收电压越大，正交异性
18、特性越明显，但极化电压也随之增大，当陶瓷纤维直径为0 4 r a m，P F C 传感元件正交异性特性变化平缓时为最佳直径，故可通过减少陶瓷纤维直径来增大长宽比，从而提高P F C 传感元件的正交异性性能。(2)分支间距增大时，P F C 传感元件两个方向的接收电压变化明显，但电极面宽度随之增大时，P F C两个方向的接收电压都减小，其正交异性性能减弱。故分支电极间距与电极面宽度的确定应充分考虑与压电陶瓷纤维直径的长宽比及P F C 所能承受的最大极化电压而定。同时，充分考虑环氧树脂层的厚度，夹在电极和压电陶瓷纤维之间的环氧树脂厚度对电场的消弱程度是不可忽视的，这就要求有较高的工艺来调整环氧层
19、厚度。(3)陶瓷纤维间距增大，P F C 传感元件在x 和Z方向的接收电压都增大，压电陶瓷纤维间距直接影响P F C 的体积比，当间距为0 5 m m 时，两方向的电压变化到最大，此时P F C 传感元件正交异性性能为最佳。(4)通过对P F C 元件进行不同距离的断铅测试试验可看出由仿真结果制备的l _ 3 型P F C 传感元件正交异性性能较好，适应于近距离的工程结构损伤测试。参考文献l 李光，王丽坤1 3 吨型压电复合材料的研制压电与声光，2 0 0 5，2 7(1)：7 1-7 3L iG u a n ga n dW a n gL i k u n D e v e l o p m e n
20、 to f1-3-2T y p eP i e z o e l e c t r i cC o m p o s i t e P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s。2 0 0 5。2 7(1)：7 1-7 32S a t y a j i tP a n d a N o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff u n c t i o n a l l yg r a d e dp l a t e si n t e g r a t e dw i t hp a t c
21、h e so fp i e z o e l e c t r i cf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e F i n i t eE l e m e n t si nA n a l y s i sa n dD e s i g n。2 0 0 8，4 4(8)：4 9 3-5 0 43W i l k i eW，H i g hJ，M i r i c kP，F o xR，L i t t l eB，B r y a n tR，H e l l b a n mRa n dJ a l i n kA L o w-C o s tP i e z o c o m p
22、o s i t eA c t u a t o rf o rS t r u c t u r a lC o n t r o lA p p l i c a t i o n s P r o c e e d i n g s，S P I E S7 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nS m a r tS t r u c t u r e sa n dM a t e d a l s，N e w p o r tB e a c h，C a l i f o r n i a,M a r c h5-9，2 0 0 04R o s s e t t iJ rG P
23、 i z z o c h e r oAa n dB e n tA R e c e n tA d v a n c e si nA c t i v e F i b e rC o m p o s i t e sT e c h n o l o g y P r o c e e d i n g so f 1 2 t hI E E EI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nA p p l i c a t i o n so fF e r r o e l e c t r i c s 2 0 0 0：7 5 3-7 5 65H i g hJa n dW i l k
24、 i eW M e t h o do fF a b r i c a t i n gN A S A-S t a n d a r dM a c r o-F i b e rP i e z o c o m p o s i t eA c t u a t o r s N A S A T M-2 0 0 32 1 2 4 2 7，A R LT R 2 8 3 3，J u n e2 0 0 36 王光庆，郭吉丰压电叠层传感，致动器的特性研究压电与声光，2 0 0 5 2 7(4)：3 7 5 3 7 8W a n gG u a n g q i n ga n dG u oJ f f e n g R e s e
25、a r c hc h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i cs t a c ks e n s o r a c t u a t o r P i e z o e l e c t e c t r i c sA c o u s t o o p t i c s，2 0 0 5，2 7(4)：3 7 5-3 7 87R a yMCa n dR e d d yJN A c t i v ec o n t r o lo fl a m i n a t e dc y l i n d r i c a ls h e l l su s i n gp i
26、e z o e l e c t r i cf i b e r1 e i n f o r c e dc o m p o s i t e s 万方数据 陶瓷学报)2 0 0 9 年第4 期C o m p o s i t e sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，2 0 0 5，6 5(7)：1 2 2 6-1 2 3 68H a g o o dN W K i n d e lRa n dG h a n d iK I m p r o v i n gI a l l S V e r a c t u a t i o no fp i e z o c e r a m i
27、c su s i n gi n t e r 嘶i t a t e ds u r f a c ee l e c t r o d e s S P I E，1 9 9 3，2 5：3 4 1-3 5 29 李邓化，居伟骏，贾美娟等新型压电复合换能器及其应用北京：科学出版社,2 0 0 7：1 4-2 3T H E O R YA N A L Y S I SA N DE X P E R 玎E N TS T U D Yo NT H EP R o P E R T Yo F1-3M O D EP I E Z o C E R A M I C SF I B E RC o M P o S I T ED a iY o
28、 n g 强L u oY t n 寸(1 S u z h o uH i g hS c h o o lo fJ i a n g s uP r o v i n c e，S u z h o u2 15 0 0 7；2 C h i n e s eM a c h i n e r yI n d u s t r yK e yL a b o r a t o r yf o rM e c h a n i c a lS t r u c t u r eD a m a g eD e t e c t i o nT e c h n o l o g y，J i a n g s uU n i v e r s i t y，Z h
29、 e n j i a n g2 12 0 13)A b s t r a c tT h ep i e z o c e r a m i c sc o m p o s h ep o s s e s s e sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c tf o r 陋s p e c i f i ce l e c t r i c-m e c h a n i c a la n dd e s i g n a b l ep r o p e r t i e sa n di t sc h a r a c t e r i s t i co fo v e r c o m i
30、n gt h eb d f f i e n e s st h a ts i n g l ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sm a t e r i a lh a s T h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo f1 3m o d eo r t h o t r o p i cp i e z o e l e c t r i cf i b e rc o m p o s i t e(P F C)i sp r o p o s e d B yf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g，t
31、 h ei n f l u e n c e so ft h ek e yd i m e n s i o n so fi n t e r d i g i t a le l e c t r o d ea n dt h ed i a m e t e ro fp i e z o e l e c t r i cf i b e ro ni t ss e n s i n gp r o p e r t ya r ea n a l y z e d I na d d i t i o n。t h eo r t h o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i ci sv e r i
32、f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rh a so b v i o u so d h o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc a nd i s t i n g u i s hs t r e s sw a v ef r o md i f f e r e n td i r e c t i o n s W ea l s of o u n dt h a tt h es e n s o rp e r f o r m
33、 a n c ec a nb ei m p r o v e db yr e d u c i n gt h ef i b e rd i a m e t e ra n dt h ec e n t e r d i s t a n c eo ft h ee l e c t r o d e K e y w o r d sp i e z o c e r a m i c sf i b e rc o m p o s i t em a t e r i a l，f i n i t ee l e m e n t，p e r f o r m a n c e，s e n s o rp r o p e r t y，o r t h o t r o p i cR e c e i v e do nO c t 1 6，2 0 0 9L u oY i n g，E-m a i l：l u o y i n g u j s e d u c n万方数据