资源描述：
《不同力和温度对pvdf压电薄膜压电系数的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响郭伟国褚世永(西北工业大学航空学院,西安710072)摘要为揭示在不同力和温度条件下PVDF压电薄膜介电常数的特性,利用MTS伺服液压试验机和分离式Hopkinson压杆装置对PVDF压电薄膜施加了不同形式的载荷,试验采用的温度是在2932363K之间。为将PVDF压电薄膜所感受的电荷量转成电压,制作了源跟随测量电路,间接获得压电系数D33。结果表明:(1)低噪声源跟随电路可有效测量PVDF薄膜输出;(2)PVDF压电薄膜的压电系数D33对温度很敏感;(3)D33值在加载初始阶段波动很大,所以实际应用中应给PVDF提供一个预压载
2、荷,以确保有一恒定的压电系数D33;(4)当压载荷沿倾斜方向作用在PVDF表面时,由于有剪切力作用,D33值会随着倾斜角的变化发生显著改变;(5)PVDF薄膜具有很宽的频响,更适用于测定不同载荷条件下的侵彻或冲击等动态载荷。关键词PVDF压电系数力温度中图法分类号O347;文献标志码A聚偏氟乙烯薄膜(以下简称为PVDF)是半晶质聚合体(微晶约占65%)。此聚合体由重复的CF22CF2长链分子组成。PVDF压电薄膜很强的压电2焦热电行为主要与氟2碳原子间很大的电负性有关,因此有很大的偶极矩。通常,采用在PVDF压电薄膜表面喷镀或涂饰微米厚的白金或铝形成电极,这样构成PVDF
3、压电薄膜传感器。这种传感器的厚度大约在几到几十微米范围内。PVDF压电薄膜的灵敏度系数与所测方向有关,在拉伸、横向和厚度方向有不同值。PVDF可输出较大的电压值,它大约比陶瓷压电传感器高十倍左右;且能将施加的变形(应变)呈比例地转为电荷量(电压)。这种薄膜质量轻、韧揉、变形强度高、频率响应很宽(10-3—109Hz)、声阻抗低、防潮,可很容易与所测物体粘接[2]。在过去数年研究中,通过将PVDF夹在分离式Hopkinson压杆的两杆间来测定和校准其动态响应,它较高的频响特性得到了验证[3—5]。在应用方面,Zhu等[6]用自行设计的PVDF传感器成功地测量了激光在Al和T
4、300/环氧复合材料靶体中诱发的冲击波。Xi和[7]Zheng对PVDF传感器频响进行了校准,得出PVDF具有比应变计更小噪声,用PVDF所测压缩脉[3]冲响应时间和应变计所测相同等结论。Guo,Liu[5]和Hu利用PVDF成功地测定了泡沫金属和低波阻抗材料的动态性能。由于具有很宽的频响,PVDF已被成功地制成各种理想的力传感器,也用到飞行器风挡玻璃的鸟撞试验中,用来测定冲击载荷。但通常像鸟撞试验和其他一些特殊用途的条件很复杂,研究者和工程技术人员一直想知道PVDF在不同环境条件下的性能变化。因此,在本文中,我们利用MTS伺服液压试验机和分离式Hopkinson压杆装置
5、,以多种载荷条件、在温度从293—363K之间对PVDF的性能进行了系统的测试,通过结果分析得到一些重要的结论。1温度对PVDF压电系数的影响1.1低噪声源跟随器当力F作用在PVDF厚度方向(常称第3方向)2007年10月15日收到国防科技工业民用专项科研技术研究项目资助第一作者简介:郭伟国(1960—),男,副教授。研究方向:材料和结构动态行为测试技术、材料的动态行为与本构关系。时,在PVDF薄膜中所引起的电荷Q为:Q=D33·F,(1)348科学技术与工程8卷其中D33为PVDF的压电系数(介电常数)。为便于测量和记录,电荷Q须转为电压量,这可通过具有高频响的源跟随电
6、路实现,具体电路如图1所示。通常,这个低噪声源跟随转换器主要由一个MOSFET(场效应管)组成,转换器具有较高的输入端阻抗(一般高于109Ω)和低的输出端阻抗,以确保电荷Q不短时释放掉,转换器具有从低到高很宽的频响(大于1MHz)。记Cp是PVDF的等效电容,其值与薄膜的面积和厚度有关,通常约为102nF于是,若能测得力F(或者应力)和对应的输出电压图1源跟随转换器V0,就可以通过计算得到参数D33。1.2温度的影响利用MTS试验机来研究PVDF在力作用下的温度效应。由两台可控石英灯实现温度变化,由热电偶丝测量实际温度,试验温度误差保持在±2℃。图2(a)为试验现场照片。
7、图2(b)为D33值与其对应载荷关系曲线。从图2中可以看到,D33随着温度变化和不同加载卸载路径而变化。同时,在外载荷较小时(小于5000N),D33值在加载和卸载时有剧烈波动。图2(c)为加载过程中D33变化曲线,D33值随着温度的增加而显著增长。图2(d)显示了室温2量级;Cg是连接线的等效电容,也在10nF量级左右;C是输出可调电容。参考电路上的电容Cp、Cg和C,电荷Q可为:Q=(Cp+C+Cg)·VI(2)(2)式中VI为对应电压。这样,源跟随转换器输出电压V0可表示为:A·Q(3)V0=A·VI=Cp+C+Cg(3
