壓電纖維簡介

壓電纖維，線狀壓電陶瓷。其主要制備方法有溶膠-凝膠法、擠出法、黏性懸浮液紡絲法等。常用于制備1-3型壓電復(fù)合材料，應(yīng)用于水聲探測器、醫(yī)療和聲吶傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域等。

針對圓形壓電纖維復(fù)合物具有的電極與壓電纖維為點(diǎn)接觸、極化和工作電場分布不均勻等缺點(diǎn)，以及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性為理論模型的建立和分析帶來的困難，本項(xiàng)目采用粘稠塑性加工技術(shù)得到方形壓電纖維復(fù)合物，通過微觀結(jié)構(gòu)分析、壓電和介電性能測試以及計(jì)算機(jī)模擬，獲得結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性指數(shù)、非活躍區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)、IDE電極與PZT纖維之間的聚合物層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)與方形壓電纖維復(fù)合物介電性能和壓電性能之間的量化關(guān)系，揭示方形壓電纖維復(fù)合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其壓電驅(qū)動性能影響的機(jī)制。確定結(jié)構(gòu)參數(shù)中的關(guān)鍵影響因素，發(fā)展合理的方形壓電纖維復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型，明確進(jìn)一步提高方形壓電纖維復(fù)合物驅(qū)動性能的途徑，建立制備高性能方形壓電纖維復(fù)合物的技術(shù)原型，為推動該技術(shù)在國內(nèi)的智能材料和智能結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

針對圓形壓電纖維復(fù)合物具有的電極與壓電纖維為點(diǎn)接觸、極化和工作電場分布不均勻等缺點(diǎn)，以及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性為理論模型的建立和分析帶來的困難，本項(xiàng)目發(fā)展了粘稠塑性加工技術(shù)，并利用該技術(shù)獲得了方形壓電纖維及其復(fù)合物器件，且器件工作性能達(dá)到商業(yè)產(chǎn)品(MFC)的性能指標(biāo)，在國內(nèi)外首次報(bào)道了采用該技術(shù)獲得的具有穩(wěn)定工作性能的壓電纖維復(fù)合物器件。 從組分、精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工等方面，通過微觀結(jié)構(gòu)分析、壓電和介電性能測試以及計(jì)算機(jī)模擬，獲得了方形壓電纖維復(fù)合物結(jié)構(gòu)參數(shù)與介電性能和壓電性能之間的量化關(guān)系，揭示了方形壓電纖維復(fù)合物電極寬度、指間距、壓電陶瓷纖維厚度及體積分?jǐn)?shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)與復(fù)合物驅(qū)動應(yīng)變性能相關(guān)性，獲得了電場在纖維中的不均勻分布狀況。建立了具有不同極化程度的纖維模型，并根據(jù)仿真模擬結(jié)果得到了計(jì)算量小且結(jié)果精確的結(jié)構(gòu)模型；通過綜合Von Mises 應(yīng)變和應(yīng)力的雙重影響，獲得了壓電纖維復(fù)合物具有最佳驅(qū)動性能及最小纖維斷裂可能性的電極指寬尺寸；針對聚合物層厚度對復(fù)合物性能的影響，從仿真模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩方面對此影響進(jìn)行了驗(yàn)證。首次以方形壓電纖維復(fù)合物為結(jié)構(gòu)模型，綜合考慮了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合物驅(qū)動性能及應(yīng)力分布的影響，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的指導(dǎo)性及可靠性，揭示了壓電復(fù)合物各組成相結(jié)構(gòu)參數(shù)的精細(xì)控制對復(fù)合物驅(qū)動性能的調(diào)控具有關(guān)鍵作用，因而明確了提高壓電纖維復(fù)合物驅(qū)動性能的有效途徑。 在國際學(xué)術(shù)會議上，項(xiàng)目組成員就壓電纖維復(fù)合物的制備及結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性做了多次口頭報(bào)告，包括在第八屆先進(jìn)陶瓷國際研討會做特邀報(bào)告，與壓電陶瓷與器件領(lǐng)域?qū)＜议_展深入探討，廣泛交流了最新的研究成果，獲得了國際同行的好評與認(rèn)可。目前在此領(lǐng)域已發(fā)表SCI、EI收錄論文10余篇，其中包括J. Appl. Phys.、Sensor & Actuator A 等壓電物理與器件領(lǐng)域國際權(quán)威期刊，已申請相關(guān)專利3項(xiàng)，其中獲得授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。

外電場和晶體的極化強(qiáng)度都是矢量，在直角坐標(biāo)系中其分量分別記為Eα和pα;α=1、2、3。晶體的應(yīng)變 s是個二階對稱張量，只有六個獨(dú)立分量，記為Si;i=1、2、3相應(yīng)的為三個縱應(yīng)變分量; i=4、5、6相應(yīng)的為三個切應(yīng)變分量。當(dāng)形變不太大時壓電效應(yīng)為線性，

可用方程組描述為 (1)

對于逆壓電效應(yīng)有 (2)

稱eαi為壓電常數(shù),亦稱壓電應(yīng)力系數(shù)。稱dαi為壓電模量，亦稱壓電應(yīng)變系數(shù)。e和d都是三階張量,通稱為壓電張量，一般地可以各有18個獨(dú)立分量，晶體的對稱性可以使壓電張量的非零獨(dú)立分量個數(shù)進(jìn)一步減小。