压电复合材料的现状与展望 (2).pdf

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1、万方数据文章编号：100l一973l(2000J05一0456一04压电复合材料的现状与展望’甘国友，严继康，孙加林，陈敬超，张家涛(昆明理工大学材料科学与工程系，云南昆明650093)摘要：由压电陶瓷相和聚合物相组成的压电复合材料是本世纪70年代发展起来的一种多用选功能复合材料。由于柔-雎聚合物相的加入．压电复合材料的密度(P)、声阻抗(z)、舟电常数(E)都降低了；而复合材料的优值(以gh)扣机电耦舍系数(女，)却提高了，这使压电复合材料能在水听器、生物匪学成像、无损检测、倍感器等诸多方面被广泛地用作挟能嚣。本文

2、对压电复合材料的发展、现状、展望及其性能影响目素作了概述。由于l3型复合材料有较好的性能，所咀着重叙述了它的特点。本文最后计论了压电复合材料的设计原则。关键词：压电陶瓷：聚合物；压电复台材料中图分娄号：TB332文献标识码：A1引言压电陶瓷的强压电性在水听器的应用中未能得到有效的发挥，作为水听器应用的压电材料要求有较大的静永压压电常数：P。：壶一垫型￡3{e33但是．压电陶瓷的dz。与如，符号相反，而且凼t近似为d”的一半，加之鼬很大．这就使得压电陶瓷的gn非常小。其次．水听器材料还要求柔软弯曲，耐机械冲击，其声阻抗

3、易于和水匹配等优良的特性。PzT的声阻抗大约为30Mr8yi，而人体组织和水的声阻抗约为1．5Mrayl。如果换能器的声阻抗与负载不匹配，那么在界面处的反射损耗会很大．换能器与负载耦台很差．表现出来就是频带窄、高Q皿、缓慢的脉冲时间、较差的分辨率和灵敏度gj。为满足以上要求，开发压电材料有两个途径：一是寻找单一材料．比如压电高聚物聚偏二氟乙烯(PVDF)口]}另一途径用压电陶瓷与空气或聚合物复合‘““。PzT与空气的复合是多孔压电陶瓷；PzT与聚舍物复合为压电复台材料o]。压电复合材料中的聚合物基体削弱了d”与da．

4、之间的耦合．使巩增加，而鼬较低，所以凰大大提高；同时由于聚台物相的引人使复合材料的密度和声阻抗较低而易与水、空气或人体组织匹配，而满足水听器的要求”]。为改善水听器灵敏度而开发的不同连接类型的压电复合材料也适于制作高频医疗诊断、无损检测、压电传感器的换能器。有关压电复合材料的分类、成型工艺、应用以及性能已有专文论述卜”]．本文不再重复。本文主要讨论压电复合材料的发展、现状、展望、性能影响因素、l一3复合材料的特点和压电复合材料的设计原则。2发展及现状1972年．日本的北山一中村试制了PVDF—BaTi03的柔性·收稿

5、日期：1999一06—16456复合材料，开创了压电复合材料的历史。70年代中后期．美国宾州大学材料实验室开始研究压电复台材料在水声中的应用，并研制了l一3型压电复合材料。RENewnham、DPskinner、KAK1icker、TRGururaja和HPsavakus等人进行了大量的理论和实验研究工作．测试了不同体积含量的压电复合材料的特性m”]。80年代初以后，美国加州斯坦福大学的BAAuld、Ywa职等人建立了PzT柱周期排列的l一3型压电复合材料的理论模型、并分析了其中的横向结构模。美国纽约菲利浦实验室的w

6、Asmith等人也做了与上类似的工作。与此同时．以及随后几年，许多国家也相继开展了压电复台材料的研究．如澳大利亚的LwChan等、日本的HiroshiTakeuchi等。一些研究工作者还利用压电复合材料制作了换能器。如日本的ChltoseNa—l【aya等、英国的GHayward和RHam-lton等人。压电复合材料的出现引起了国内一些研究机构的关注。主要有中科院声学所的庄永缪等研制出用于制作宽带换能器的3～3型复合材料．南京大学的水永安等参与制作了l3型复合材料的理论研究工作．北京大学的栾桂冬等用O一3型复音材料制

7、作了水听器．中科院声学所的耿学仓等研制出了1—3型和2～2型复合材料，并制作了用于无损检测水浸探伤和岩性测量的纵波、横渡换能器等c“]。在各种压电复台材料中．研究得最深入、应用得最广泛的是l一3型压电复合材料。3展望压电复合材料出现至今，对它的研究和应用已经有了相当的进展，但它毕竟还是一个新生事物．它的完整理论还没有建立起来，它的应用开发更是没有充分挖掘出来。当前，压电复合材料有如下发展趋势。3．1开发连接类型按压电陶瓷相和聚合物相在复合材料中的分布状态，可将压电复合材料分成lO种连接类型o]。为了实际应用和器件小型

8、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。常长久等将并联2—2切割后按45℃方向拼接制成了面切变型压电复合材料及其换能器m】．另外他们将具有厚度模振动的1～3型和具有扭转模振动的2—2型拼接在一起．构成了一种新型的混合模式的压电复合材料，由这种复合材料制成的换能器能同时发射和接收纵波和横渡【l“。通过一种含有空腔的金属电极与压电陶瓷