压电结构纤维及复合材料

[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261.

图1 中空压电纤维

一、背景介绍

一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。

Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。

空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。

传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。

目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），

本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。

二、单个纤维及层板的有效性质

中空纤维中的电场：

tw E V /t = thin-wall approximation

V

E(r)r ln(1)

-=-

-α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚

度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。

纤维有效31d ：

F

31tw 31,eff tw

d E d E ln(1)(1/0.5)-⎛⎫ε== ⎪-αα-⎝⎭

，F

31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生

高的应变。

单层有效31d ：

F

31,eff f f L

la min a

tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y

⎛⎫νε===ν+-ν

⎪ ⎪⎝

⎭

讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数)

代替纤维体积分数，f f (2)⎫

ν=-αα⎪⎭

，通

过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估：

上面的研究表明，α和材料性质(模量和d31)决定了中空复合材料的应变行为，而嵌入应

力条件限制了基体材料的选择。这节讨论microfabrication by coextrusion(MFCX)，这种方法对各种陶瓷材料，制备晶粒尺度的任意横截面的纤维具有很高的成功率。

(1)ovality(椭圆度)=最大直径偏差/名义直径

(2)eccentriclty(偏心度)=孔的偏差/直径

以上两个参数是重要的，它们直接影响壁厚，导致壁内电场的变化

(3)straightness(直线度)，由curvature(曲率)和waviness(波动)表示

(4)material property evaluation：包括所制备材料的空隙率、密度、d31、和模量

四、中空纤维制备与评估：

Thin-wall纤维强度较差因而会对复合材料可靠性带来影响。

五、中空纤维与实心纤维的比较

实心纤维驱动电压要求很高，因而工程应用不方便。空心纤维如果电极破裂丧失了电连通性，纤维就失效了，在这种情况下，实心纤维比空心的强。

[2]Beckert W, Kreher W, Braue W, Ante M. Effective properties of composites utilizing fibres

with a piezoelectric coating[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2001, 21(10-11):1455-1458.

hybird fiber with an inactive core and a piezoelectric coating, the piezoelectric inactive core provides the mechanical support, and improve mechanical stability. An electrical potential different between an inner and an outer electrode layer gives rise to an actuating electric field. A corresponding axial deformation of the fiber is induced by the 31-coupling of the piezomaterial. core fiber: glass, SiC, steel

结果：3种方法比较，d33与bulk fiber比较。

多几层薄的压电层(薄压电层驱动性能更好，在前面的文献中有讨论)，然后加反向电压，控制起来灵活性更大(可实现双路反向控制). 同时，与厚的压电层比较，用更多层薄的压电层，电场分布误差会很小，提供的夹持力比单层的要大，降低了压电材料中的应力。硕士研究, [3]Dai Q L, Ng K. Investigation of electromechanical properties of piezoelectric structural fiber

composites with micromechanics analysis and finite element modeling[J]. Mechanics of

Materials, 2012,53:29-46.

用细观力学和有限元法(利用了双周期条件+能量方法)方法研究压电结构纤维复合材料（piezoelectric structural fiber composites），纤维纵向极化，芯材为SiC和C且不充当电极。

the monolithic piezoceramic materials such as lead-based ceramics are brittle by nature. The fragile property makes them vulnerable to accidental breakage during operations, and difficult to

R1

R2

R3

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外电极