压电智能复合材料的应用研究

形;就材料而言，有PZT/聚合物、PZT/PZT（两种PZT的组
分不同）、PZT（致密）/PZT（多孔）/PZT（致密）以及 其他压电材料与聚合物的的复合材料等。利用复合技术不 仅能提高材料的压电性能、热电性能，还能提高材料的耐 压性以及抗去极化性。 当前，压电复合材料有两个发展趋势：其一是开发连 接类型压电复合材料。按压电陶瓷相和聚合物相在复合材 料中的分布状况，可将压电复合材料分成10中连接类型。
智能材料
压电智能复合材料的应用研究
内容纲要
1.压电材料 2. 智能复合材料 主讲内容
3. 压电智能材料的应用
4.小结
1. 压电材料
材料从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类， 其中结构材料以其强度、韧性、硬度、弹性等力学特性为应用 依据，功能材料以其电、磁、光、声、热等物理性能为基础， 用以制作有特殊功能的器件。压电材料是实现机械能与电能相 互转换的功能材
寿命期间安全性及减小灾害影响的一条崭新思路。即
引入了智能结构系统的概念。压电材料是众多智能材料中 运用得较为广泛的一种，利用压电智能材料的正、逆压电 效应，即压电材料在外加电场作用下引起变形与压电材料
在变形下引起电场改变的特性，将压电材料膜片黏附在结
构的表面或嵌入结构内部作为感应器和驱动器来观测变形 与实施变形控制，与外界控制电路一起达到抑制外界干扰
料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛 应用于工业部门和高科技领域。 当前的研究领域主要包括压电陶瓷、压电晶体、压电 复合材料、压电高聚物。其中压电复合材料主要是包括 PZT压电陶瓷等。 PZT压电陶瓷作为很好的换能器材料已 经有30多年的历史，BaTiO3作为优良的高介材料几乎达40 年之久.磁性材料和半导体材料都有类似的趋势.对一些化 合物的深入研究表明,改变掺杂元素的方法,不可能大幅度 改进和提高材料的性能。于是人们采用不均质的陶瓷材料 和精确控制材料的多相性来改进单相材料的某些性能。压 电复合材料有多种复合方式.就结构来说,有混合状、层状 、梯形和蜂窝
时，就产生减振反应作用力，增强滑雪者的控制能力 利用压电陶瓷易于改性且易于与其他材料兼容的特点 可制成自适应结构。 2.压电智能复合材料的现实应用
（1）压电智能复合材料在悬臂梁结构振动控制中的应用
地震和强风的作用严重威胁土木工程结构的安全。 随着结构控制科学、信息技术和材料科学的发展，科 学家和工程师们从对自然界和生物进化的学习与思考 中得到启示，提出了力图从根本上提高工程结构整个
合材料又是智能复合材料的一个重要的分支。所以它们的
研究发展将全面的提高材料的设计以及应用水平。实现复 合材料的智能化将显著降低工艺成本，提高服役可靠性与
3.3 建立了压电驱动器的力学模型，并进行了理论分析，数
值计算与实验验证
基于PZT逆压电效应的本构关系和结构动力学的振动原 理，采用集总质量法，分别建立了单片PZT沿长度方向自
由运动、黏贴式和埋入式PZT驱动力学模型。推导了PZT驱
动方程并求解驱动表达式。通过数值算例，考虑胶层等性 能参数对驱动性能的影响，分析了驱动器输入信号与输出 信号的关系、胶层性能及PZT尺寸对驱动力的影响。对黏 贴和埋入式PZT驱动器的驱动性能分别进行试验研究，验 证了驱动模型的合理性。
析的压电智能骨料混凝土损伤统计识别算法 基于压电智能骨料的优越特性将自行设计封装的压电智
能骨料埋置在混凝土结构的指定位置，利用主动健康监测
系统及试验研究。建立了基于小波分析的混凝土结构损伤 统计指标和损伤程度、损伤概率及损伤位置判定方法，并
提出了基于小波分析的压电智能骨料混凝土结构损伤统计
识别算法。实验证明了利用压电智能骨料传感器和驱动器 开展混凝土结构长期健康监测与损伤统计识别技术及推广
（2）智能复合材料的常见种类 1.形状记忆合金纤维增强智能复合材料 2.光导纤维智能复合材料
3.碳纤维增强复合材料
4.压电智能复合材料 5.电/磁流变体智能复合材料 6.PH响应凝胶纤维智能复合材料
压电材料在智能复合材料的中的应用
1.压电智能复合材料的概念 压电复合材料具有压电效应。当在材料上施加外力时 ，材料产生电压的现象称为正压电效应，而对材料表面施
器表面的振动速度，在次级扬声器的近前方布置一个麦克 风，用于检测次级扬声器表面的声压。通过调节和控制次
级扬声器发出的声波，使得次级扬声器表面的声阻抗与空
气的特性阻抗相匹配，吸声系数达到最大，从而达到主动 吸声的目的，而该方法在实际应用中不容易实现。
然而采用一种新型的适用于水声降噪的有源复合材料 -PVDF压电薄膜复合智能材料。 PVDF是一种柔软的塑性材 料， PVDF压电元件对湿度、温度和化学物质高度稳定， 机械强度较好，具有结构简单、重量轻、失真小、稳定性 高的优点，特性阻抗与水相匹配，是一种比较理想的新型 换能材料。 PVDF压电薄膜既可以做为传感器，又可以作 为作动器。作为传感器时，具有分布式传感器的能力，往 往是制作大面积水听器的理想材料，作为作动器时，不但 可以承受很高的输入电压而不会被击穿，而且可以剪裁成 任意形状以获得很高的平面以外法相位移量。 PVDF压电薄膜复合智能材料可代替传统有源吸声系统
中的次声源-扬声器，用作次级激励源抵消回声信号，与 空间内一点的声抵消有源控制系统不一样的是，智能材料 的声抵消是在其声学边界上，通过给消声材料施加交变电 压信号，可以控制其振动速度，使得消声材料的表面声阻 抗和入射声信号的特性阻抗动态匹配，形成一种连续的介 质环境，即在消声材料的表面处不会产生反射，从而达到 吸收反射声波的目的。（ PVDF 复合智能材料是一种新型 的，重量轻的激励器，从本质上说是一种扬声器或阻抗匹 配器，以往对压电复合智能材料的研究主要包括智能材料 的结构设计及其在简单结构上的有源噪声控制。从整体结 构上来讲，压电复合智能吸声材料都是在被动吸声材料内
相等，相位相反实现声源的抵消达到降低噪声的目的。而
有别于主动消声是对入射声波进行控制，主动吸声方法是 对发射声波进行控制，使入射声波的反射系数很小或接近
于零，从而达到吸声降噪的目的。 主动吸声常采用的方法是用一个初级扬声器发出简谐百度文库 波，在该扬声装器的对面布置另外一个次级扬声器，在次
级扬声器的表面布置一个振动传感器，用于检测次级扬声
修复功能，以及各种智能纺织品。
智能复合材料的一些应用
（1）智能复合材料的组成与原理
智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递、转换与控 制。因此其功能实现的关键是信息的采集与流向。
智能复合材料主要由基体、传感器、信息处理器和驱
动器组成。基体材料材料较多采用高分子物，主要作用是 承载。传感器的主要作用是感知
部镶嵌压电材料构成。对于PVDF薄膜这种主动材料表面应 力与其曲率相耦合的结果会产生弯张作动，由薄膜的弯张 作动来产生复合材料的体积速度。控制这种弯张作动类似 于操作一个普通的扬声器，激励薄膜产生体积速度泳衣产
生声音或振动。）
（3）.压电智能骨料力学模型与实验研究 随着土木工程结构日益向大型化、复杂化、智能化方 向的发展，混凝土结构健康检测日益与损伤识别的理论方 法、实验研究及工程应用已经成为学术界的研究热点。压 电智能材料，如锆钛酸铅PZT具有传感和驱动于一体的优 越特性，其应用为重大工程结构和基础设施的长期健康监 测与定性、定量的整体状况损伤识别技术提供全新的思路 。通过实时有效地处理来自检测系统海量的不确定性的测 量数据与信息，对结构的健康情况和损伤状态进行评价， 可实现结构的服役状况监测，保证了结构的安全性、完整 性、适用性和耐久性。
的目的。
（2）.基于压电智能材料的自适应吸声实验研究 在水下，传统阻尼材料对频率较高的噪声能起到较好 的吸收作用，但是对于低频噪声就束手无策了。针对低频
噪声的主动控制研究是目前的研究热点，它包括主动消声
和主动吸声两个方面。主动消声是有德国人Paul Lueg提 出的，通过利用次级声源与初级声源两组声源的声波大小
3.4 对压电智能骨料截面抗压与抗剪及冻融循环性能进行试 验研究，揭示了压电智能骨料在抗压及抗剪与抗冻融环境 下的服役性能 通过被动监测技术，研究压电智能骨料在不同应力作 用下抵抗外载荷以及抗冻融循环的能力，分析了压电骨料 自身受力性能和耐久性能。结果表明：压电智能骨料具有 良好的抗压、抗剪与抗冻融循环的能力，能够满足使用功 能的要求。从而使其在实际工程条件下能很好地保持力学 性能的稳定性，确保与混凝土材料具有同样的服役寿命。 3.5建立了基于小波分析的混凝土结构损伤统计指标和损伤 程度、损伤率及损伤位置判定方法，并提出了基于小波分
为了实际应用和器件小型化，一些混合连接类型和新连接
类型的复合材料被开发出来；其二是改进成型工艺。成型 工艺直接影响压电复合材料的性能，所以探测新工艺是压
电复合材料研究的一个重要方面。脱模法、注模成型法、
遗留法、层压法、纤维编制法、共挤法等可以获得精度 50-100um甚至20um左右的精细结构。为生产更精密的压电 复合材料提供了可能。
加外电场产生的应变或应力称为反压电效应。即其具有将
电能和机械能变换的特性，故可应用于智能结构中，特别 是自适应、减振与噪音控制等方面。将压电材料置入飞机
机身内，当飞机遇到强气流而振动时，压电材料便产生电
流，使舱壁发生和原来振动方向相反的振动，抵消气流引 起的振动噪音。将压电材料应用于滑雪板，滑雪板受振同
智能复合材料
智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新 技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能 驱动器的新型复合材料。其通过信息处理器作出判断处理 ，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态 ，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自 调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系 统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学 交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械 装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应 机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自
智能结构健康监测体系与检测流程，为了相应力学模型建
立、力学性能分析、实验研究以及其实际应用奠定了理论 基础。
3.2建立了压电传感器的力学模型，并进行了理论分析，数 值计算与实验验证 基于PZT正压电效效应的本构关系和结构动力学的振动 原理，从用集总质量法，分别建立了粘结式和埋入式PZT 传感器的力学模型及数学模型，考虑粘结层阻尼效应，求 解了传感器的振动方程及其电压表达式。通过简谐荷载激 励下的数值模拟分析，确定了传感器力学与电学特性的对 应关系，进一步明确了各个参数的影响规律。考虑不同胶 层厚度和作用力影响，分别对黏贴和埋入式PZT传感器的 传感性能进行试验研究，并与理论模型和数值分析结果相 比较，验证了所建立的传感模型的正确性。
应用于实际工程的有效性和可行性。
总而言之，压电材料在科学技术飞速发展的压电智能 复合材料在各个领域均得到了广泛的应用。
小结
智能化是人类文明发展的趋势，要实现智能化，智能 材料是不可缺少的重要环节，压电智能复合材料在当今社
会得到了广泛的应用。目前世界上许多国家都已展开了对
压电智能复合材料的研究。 智能复合材料是高新技术的综合。然而压电智能复
环境的变化（如温度、热、声音、压力、光等），并将
其转换为相应的信号。这类材料（一般有敏感的感知能力
）有形状记忆合金（SMA）、压电材料、光纤、电/磁致 粘流体、光致变色材料等，尤其是光纤应用最广（可感觉 压力、温度、密度、弯曲、射线等）。信息处理器核心的 部分，它对传感器输出信号进行判断处理。构成驱动器部 分的驱动材料在一定条件下可产生较大的应变和应力，从 而起到响应和控制作用，如形状记忆合金、磁致伸缩材料 、PH致伸缩材料等。
3.1 给出了一种自行封装的压电智能骨料制作工艺 针对压电智能材料与结构系统的特点，以混凝土基压 电智能材料为传感和驱动原件，设计一种自行封装并与结 构相容性良好的新型多功能压电智能骨料，作为传感器和
驱动器使用。进一步改进和完善了其制作工艺和封装技术
，有效的解决了传统压电材料相容性不好、耐久性差、具 有易损性等方面的问题。建立了基于压电智能骨料列阵的