含金属芯压电陶瓷纤维的传感特性研究

压电陶瓷纤维(MPFs)是一种新型的智能材料。该文简述了其几何形状、制备工艺,从理论上分析了其应变传感原理。实验研究了MPFs的准静态、动态应变传感特性。研究结果表明,MPFs传感器灵敏度很高,静态响应的线性度很好,动态响应则有非线性和迟滞现象。最后探讨了MPFs的几何尺寸对传感性能的影响,分析了迟滞现象产生的原因。

压电陶瓷纤维的制备及应用

概述了压电纤维的制备工艺,总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果,阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法,并对压电纤维及其复合材料的应用前景进行了展望。

切割-填充法制备粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器

采用切割-填充法制备了一种粗压电陶瓷纤维复合材料驱动器,该驱动器由叉指电极电路板、环氧树脂黏结层和粗压电陶瓷纤维复合材料层三部分组成。理论计算了粗压电陶瓷纤维复合材料的压电性能,并采用TF Analyzer 2000铁电分析仪和基于LabVIEW的动态应变采集系统测试了该驱动器的P-E回线和应变性能。结果表明:粗压电陶瓷纤维复合材料的理论压电常数d33和剩余极化强度Pr分别为634pC·N-1和31.4μC·cm-2。且在±1,000V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生纵向和横向应变分别为30με和20με,即纵向和横向伸缩分别可达0.63μm和0.34μm。

PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备和性能研究

以乙酸铅、乙酸镧、乙酸氧锆和钛酸丁酯为原料,用溶胶-凝胶法制备了掺镧锆钛酸铅(PLZT)凝胶纤维.该纤维经热解、烧结后成为直径约25μm的陶瓷纤维.陶瓷纤维的表面和断面形貌的电子扫描图象表明,该陶瓷纤维均匀致密.用阿基米德法测得陶瓷纤维的密度为:7.78×103kg/m3.对于直径为4.4mm、厚度为43μm、陶瓷含量为70％的PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料压电片,测得其压电常数d33、机电转换常数kt分别为:410pC/N和0.631.

溶胶凝胶工艺制备功能陶瓷纤维

溶胶凝胶工艺在制备功能陶瓷材料（粉末、体材、薄膜）方面已显示出重要的应用。近年来，一些研究者用这种工艺制作功能陶瓷纤维，并取得了较大进展。溶胶凝胶工艺尤其适合制作传统的熔融法不能或不易获得的功能陶瓷纤维。本文简要地介绍了这一工艺制备功能陶瓷纤维的工艺过程，着重评述了铁电、压电陶瓷纤维，高温超导纤维的研究现状。

Bi掺杂PLZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料的制备

选用醋酸铅、醋酸镧、醋酸铋、丙醇锆和钛酸四正丁酯为原料，以乙二醇甲醚为溶剂，用溶胶-凝胶法制备铋和镧掺杂的连续锆钛酸铅纤维。乙酰丙酮作为螯合剂增加醋酸镧的溶解性，并控制其水解程度。该纤维经热解、烧结成陶瓷纤维，直径在25～50μm范围。用扫描电镜（SEM）分析陶瓷纤维截面的形貌，显微照片表明该陶瓷纤维均匀致密。将烧结后的陶瓷纤维与环氧树脂复合，制备出陶瓷纤维／环氧树脂1-3复合材料。压电复合材料片直径为7．8mm，厚度为0．375mm，纤维含量为0．45，其压电常数、机电转换常数分别为454pC／N、0．63。

ＢＳ—０２５７８压电陶瓷膜片及纤维

压电陶瓷膜片和有机膜复合构成功能模块，应用于智能系统（传感器和行动器），也可整体埋八复合材料中，控制振动和降低噪声。

基于有限元法压电纤维复合物结构的模拟优化

利用有限元软件ANSYS模拟分析电极结构、压电陶瓷纤维厚度及体积分数等结构参数对纤维内部电场分布及复合物驱动应变性能的影响规律。结果表明:具有交叉指形电极结构的压电纤维复合物在纤维内部存在不均匀电场区域,其强度和体积分数共同制约着复合物的驱动应变性能。在恒定电场条件下,当交叉指形电极宽度为纤维厚度的一半时,复合物具有最大应变量;厚度较小的压电陶瓷纤维内部的均匀电场强度较高和体积分数较大,进而有利于提高复合物的驱动应变性能。在恒定电压条件下,电极指间距越大,复合物的驱动应变量越小。当指间距和指宽的比>10时,应变量可达到理想状态的90%。压电陶瓷纤维体积分数越高的复合物越容易获得较大的驱动应变性能。

排列–浇铸法制备柔性压电纤维复合驱动器

设计了该压电纤维复合驱动器的结构,包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列–浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷的电学性能及力学性能,理论推导了压电纤维复合材料的压电性能,并采用基于LabVIEW的动态应变系统测试了驱动器的应变性能。结果表明,PZN-PZT陶瓷的压电常数d33为520 pC/N,居里温度Tc为320℃,弹性柔顺系数s33为20.5×10–12m2/N。压电纤维复合材料的理论压电常数d33为509 pC/N,d31为–156 pC/N。在300 V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生100με的纵向应变和58με的横向应变,即纵横向伸缩分别可达3.6和1.7μm,说明该驱动器具有较高的机电性能。

压电纤维复合物驱动应变性能的模拟和优化

压电纤维复合物因具有较大的驱动应变和良好的柔韧性而成为智能材料领域的研究热点之一。采用有限元法分析各结构参数对压电纤维复合物驱动应变性能的影响规律。结果表明:电场在交叉指形电极边缘发生聚集,且在此区域的电场强度约为均匀部分电场强度的4倍,因此,应用过程中压电纤维极易在电极边缘部分因应力集中而产生裂纹,从而降低复合物的驱动性能;指间距越大,复合物的驱动应变量及电场分布越接近于理想情况;采用高体积分数的压电陶瓷纤维、电极与纤维之间较小的聚合物层厚度均有利于提高智能压电纤维复合物的驱动应变性能;方形压电纤维复合物较圆形压电纤维复合物的驱动应变性能至少可提高60%。

制备工艺对KNBT压电纤维结构与性能的影响

采用固相法合成物相结构单一的KNBT陶瓷粉料,采用塑性聚合物-挤制成型法制备压电纤维素坯,研究泥料制备工艺和烧结工艺对KNBT压电纤维结构性能的影响。结果表明:真空炼泥和陈腐过程可以有效减少纤维中的孔洞,提高纤维致密度,改善其压电性能;采用混合气氛埋烧的烧结方式,在1110℃下烧结可以获得物相结构单一、结构致密、晶体结构良好的KNBT压电陶瓷纤维,压电纤维有效压电系数可达182 pm/V,矫顽场约为4.0 k V/mm,剩余极化强度约为25.5μC/cm^2。

微直径压电纤维压电应力常数的测量方法

基于1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型与压电纤维压电常数的测量方法,探讨了一种新的测量细微直径压电陶瓷纤维压电应力常数的方法。阐述了这种等应变法的测量原理,分析了实现等应变测量压电应力常数的条件,制作了测量试件,用实验验证了这种测量方法的可行性,为细微直径压电陶瓷纤维的压电常数测量提供了一个有效途径。

浅析压电陶瓷对蓄电池充电的方法

压电陶瓷的压电效应具有将振动机械能转化为电能的特性。文章用ANSYS软件建模具体分析了两种悬臂梁附着压电陶瓷的阻尼振动特性和电压输出特性,结合国内外的一些蓄电池模型提出了铅酸蓄电池的充电电路模型,并利用MATLAB软件电子电路模拟技术分析了压电陶瓷对蓄电池充电的方法。

压电悬臂碳纤维层合板的振动控制研究

为实现碳纤维复杂结构的振动控制,实验以压电悬臂碳纤维层合板为研究对象。基于Kirchhoff薄板理论和Hamilton原理,运用压电本构方程、假设模态法、广义坐标法及状态空间变量,构造压电悬臂碳纤维层合板的振动状态空间方程。对悬臂层合板进行应力、应变分析,确定压电陶瓷纤维片的铺设位置。采用PID控制方法、模糊控制方法以及模糊PID控制方法在MATLAB中设计控制器,对悬臂层合板的振动控制进行数值仿真。结果表明:三种控制器均可有效抑制层合板的振动,模糊PID控制器的抑振效果最好,该结果可为碳纤维复杂结构的振动控制提供参考。

含Pt金属芯压电陶瓷纤维的微观结构和电学性能

以传统固相法制备的0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3–0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3(PNN–PZT)压电陶瓷粉体为原料,采用挤压成型工艺制备含Pt金属芯压电陶瓷纤维。以PbTiO3作为保护粉体,对纤维坯体进行1 200℃不同时间(0.5、1.0 h和2.0 h)的烧结处理。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、阻抗分析仪和铁电分析仪等研究了烧结时间对纤维微观结构、压电性能和铁电性能的影响。结果表明:在烧结时间范围内制备的压电陶瓷纤维为单一钙钛矿结构,未发现焦绿石相或其他杂相;随烧结时间增加,陶瓷纤维晶粒尺寸增大,压电和铁电性能明显提高。在1200℃保温2.0h制备的压电陶瓷纤维电学性能较好,压电常数(d31)、相对介电常数(εr)、介电损耗(tanδ)和矫顽场(Ec)分别为–145 pC/N、3 313、2.6%和0.27 kV/mm。介电温谱结果表明:该陶瓷纤维的特征Curie温度为125℃,峰值相对介电常数为8093。

基于含金属芯压电纤维的冲击载荷定位

采用含金属芯压电纤维(MPF)作为传感元件,利用其传感的方向性特点,提出了一种基于MPF花形结构的冲击载荷定位方法,该方法无需知道应力波在结构中的传播速度。同时,利用该方法进行了板结构冲击载荷定位的实验研究,研究结果表明基于MPF花形组合结构的方法可以用于冲击载荷定位,而且定位精度较高。

一种新型驱动器

介绍了一种新型压电驱动器含金属芯压电陶瓷纤维(MPF),推导了MPF的驱动电压与位移关系,运用ABAQUS软件对MPF进行了有限元仿真,并将MPF在不同驱动电压下的位移进行了理论值和仿真值的对比,验证了所推导公式中响应位移和驱动电压关系的正确性。通过实验测试了MPF的迟滞特性,并设计了迟滞逆模型开环控制、迟滞逆模型结合比例、积分和微分(PID)的两种控制方法对MPF进行了迟滞补偿控制。实验表明,复合控制的效果较好,MPF迟滞得到了很好补偿,使输入和输出呈线性,实现了高于10nm的高精度定位。复合控制的实验结果也进一步验证了MPF位移公式的正确性。

可用作能源器件的压电纤维复合材料

美国先进陶瓷公司报道，研究人员开发出一种称之为粘滞悬浮自旋工艺的低成本制造陶瓷纤维的方法，纤维直径可在10-1300μm之间。这种陶瓷纤维拥有陶瓷材料的一切优点（电学、热学、化学各方面），但是却排除了一些不利特性（胞性和重量高等）。