压电结构纤维及复合材料

[1]BreiD,CannonBJ.Piezoceramichollowfiberactivecomposites[J].CompositesScienceandTechnology,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：twEV/tthin-wallapproximationVE(r)rln(1)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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，小的中空纤维是一个好的选择。纤维有效31d：F31tw31,efftwdEdEln(1)(1/0.5)，F31,effd随着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：F31,effffLlaminatw31,efftwlamffmflamdYEdE,YYY(1)Y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，ff(2)23，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VonMises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和f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，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microfabricationbycoextrusion(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)materialpropertyevaluation：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]BeckertW,KreherW,BraueW,AnteM.Effectivepropertiesofcompositesutilizingfibreswithapiezoelectriccoating[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2001,21(10-11):1455-1458.hybirdfiberwithaninactivecoreandapiezoelectriccoating,thepiezoelectricinactivecoreprovidesthemechanicalsupport,andimprovemechanicalstability.Anelectricalpotentialdifferentbetweenaninnerandanouterelectrodelayergivesrisetoanactuatingelectricfield.Acorrespondingaxialdeformationofthefiberisinducedbythe31-couplingofthepiezomaterial.corefiber:glass,SiC,steel结果：3种方法比较，d33与bulkfiber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]DaiQL,NgK.Investigationofelectromechanicalpropertiesofpiezoelectricstructuralfibercompositeswithmicromechanicsanalysisandfiniteelementmodeling[J].MechanicsofMaterials,2012,53:29-46.R1R2R3R4R5外电极内电极压电陶瓷填充材料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（piezoelectricstructuralfibercomposites），纤维纵向极化，芯材为SiC和C且不充当电极。themonolithicpiezoceramicmaterialssuchaslead-basedceramicsarebrittlebynature.Thefragilepropertymakesthemvulnerabletoaccidentalbreakageduringoperations,anddifficulttoapplytocurvedsurfacesandharshenvironmentswithreduceddurability.(陶瓷材料易碎)。金属芯：platinum，themetalcorecanreinforcethecompositeandserveaselectrode.但两者热膨胀性能的不匹配容易使涂层断裂（问题：热分析）。也可用导电的碳和碳化硅，但在碳和碳化硅表面的压电涂层如果太薄，使在采集轴向纤维的电场很困难，这也是本文的着眼点。对有效性能预测，本文强调MT方法与实验结果最为接近。theaspectratio,ofPSFisdefinedastheshellthick,tdividedbytheouterradius,r.ThevolumefractionofthePSFisthevolumeratiooffiberswiththewholelaminate.传感模式的基本方程ijijmnmnnijnTiimnmninnSdEDdE驱动模式的基本方程ijijmnmnnijnSiimnmninnCeEDeE如果3方向是极化方向，12方向是横观各向同性面，则****1112133111****1211133122****1313333333**441523**314415*1266**11511**21511*331000000000000000000000000000000000000000000000000000cccecccecccecececDekDekDee11223323311212***331333322200000EEEek***16611122ccc本文利用驱动模式方程，由1kqkppqijkimnmnjkedC,deC得到了传感模式方程的d33.Mori-Tanakaapproachonlyconsidersthevolumefractionandexcludestheinclusionshapeandsizeeffectsonthecompositeproperties.Extendedruleofmixture:theinclusionshapeandsizeeffectsofeachphasewereconsidered.最初的混合率是对两相复合材料的，扩展的混合率用于研究三相复合材料，其实质就是应用两次针对两相材料的混合率。[4]DinzartF,SabarH.Electroelasticbehabiorofpiezoelectriccompositeswithcoatedreinforcements:micromechanicalapproachandapplications[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2009,46(20):3556-3564.1ijkimnmnjkdeC[5]LinY,SodanoHA.Conceptandmodelofapiezoelectricstructuralfiberformultifunctionalcomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(7-8):1911-1918.这篇文献intrduction写得好。thispaperintroducesanovelactivepiezoelectricstructuralfiberthatcanbelaidupinainacompositematerialtoperformsensingandactuation,inadditiontoprovidingloadbearingfunctionality.建立了一维模型，结果表明，包含压电结构纤维的复合材料层板可以达到压电材料70%的耦合系数。first,.................,additionality,...................实用单相压电材料有困难：易碎性，难以做成曲面形状。于是有了各种压电纤维复合材料PFC(包括activefibercomposites(AFC)、macro-fibercomposites(MFC)、1-3composites,andhollowtubeactivefibercomposi