0-3型压电复合材料的压电性能研究
压电复合材料
由热塑性聚合物和无机压电材料组成的压电材料称为压电复合材料或复合聚合物压电材料。它具有无机压电材料优良的压电性能和聚合物压电材料优良的加工性能，无需拉伸即可获得压电性能。这种压电特性在薄膜中没有各向异性，因此在任何方向上都表现出相同的压电特性。 准备好的 压电复合材料的制备方法是将无机压电材料粉末均匀分解，混合成热塑性聚合物，再混合成型。常见的无机压电材料是压电陶瓷，如锆钛酸铅和pbto3；常见的聚合物基体是PVDF和其他含氟树脂。[1] 优势 （1）横向振动很弱，串扰很弱； （2）机械品质因数Q值低 （3）宽带（80%-100%）； （4）机电耦合系数大；
（5）与普通PZT探针相比，具有更高的灵敏度和更好的信噪比； （6）在较宽的温度范围内稳定； （7）可加工形状复杂的探头，只需简单的切割和填充工艺； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数和机电系数容易改变（因为这些参数与陶瓷材料的体积比有关）； （9）很容易匹配不同声阻抗的材料（从水到钢）； （10）通过改变陶瓷体积比可以调节超声灵敏度。[1] 压电材料分类 压电材料是一种具有压电效应的材料。它是一种功能材料，在外力作用下产生电流，反之亦然，在电流作用下产生力或变形。它广泛应用于传感器中，实现机械能和电能的转换。自1880年居里兄弟发现压电效应以来，他们开发了多种压电材料，可分为以下五类：①单晶材料，如石英、磷酸等；②陶瓷材料，如锆钛酸铅（PZT））、钛酸铅，③高分子聚合物，如聚氯乙烯；④复合材料，如PZT/聚合物；⑤微晶玻璃，如tisro3等。
从以上可以看出，压电材料已经从自然界中存在的简单的单晶材料发展到构造复杂的复合材料过程。压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物以一定的方式、一定的体积质量比和一定的空间分布组成，可以改善材料的压电性能。[2] 0-3压电复合材料 0-3型是最简单的压电复合材料，它是由分散在三维聚合物基体中的不连续陶瓷颗粒（0-D）形成的。它的适应性很强。它可以制成薄片、条状或金属丝，甚至可以模制成各种复杂的形状。然而，极化是困难的，它的性质很容易受到各种过程的影响。 （1）由于压电填充相的极化电场强度远小于外极化电场强度，0-3压电复合材料的极化困难。为了改善聚合物的极化性能，可以在复合材料中加入少量的导电相，如碳、锗，以提高聚合物基体的导电性。此外，还可以采取措施提高压电陶瓷的相电阻率。 （2）压电相的选择要考虑的重要参数是长径比C/A，大的C/A压电相可以获得较大的自发应变。使用PZT、pbtio2、（Pb、BI）（Ti、Fe）O3等。
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究
1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。 1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。 制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。 主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。 研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为 10.2Mrayl、317pC/N。与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。 在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系
压电结构纤维及复合材料
[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 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： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 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α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，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α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 ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 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，f f (2)?ν=-αα??，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V on Mises 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α和f ν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，α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
压电纤维复合材料的研究与应用
压电纤维复合材料的研究与应用 XXX 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文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研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。 2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，
而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。 Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。 LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。 Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。 Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。 锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤
2007 1_3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析
2007年第 3 期 声学与电子工程 总第 87 期 25 1-3型压电复合材料和普通PZT 换能器性能对比分析 陈俊波 王月兵 仲林建 （第七一五研究所，杭州，310012） 摘要 通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT 圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT 压电换能器的收发性能有明显改善。 关键词 1-3型压电复合材料； PZT ；压电换能器 在当今的压电材料中，锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为换能材料一直占据着主导地位，其优点是具有高的机电耦合系数、介电常数范围很宽、损耗低、制作方便、价格低廉，因此广泛用于水声换能器、生物医学成像、超声工程等诸多方面；其缺点是声阻抗高，当负载是水或生物组织时，不易与负载匹配，在界面处的反射损耗就会很大，而且其横向耦合很强，因此，使用PZT 材料制作的厚度振动换能器存在频带窄、Q 值高、灵敏度较差等缺点。 1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。该材料保留了PZT 压电陶瓷的高压电性，由于掺入了无源的聚合物相，因此具有较低的声阻抗、Q 值、介电常数和平面机电耦合系数，是制作高灵敏度宽带换能器的理想材料。 1 1-3型压电复合材料的性能 1-3型压电复合材料一般采用切割-填充法制作[1] 。考虑到一次性切割两个方向，陶瓷立柱容易断裂脱落，故先沿一个方向进行切割，在切缝中灌注聚合物并固化，然后再在与之垂直的另一个方向进行切割，再灌注聚合物。为了得到压电相体积百分比和陶瓷立柱的厚度对材料性能的影响，制作了不同参数的1-3型压电复合材料样品。 用阻抗分析仪测得材料的串、并联谐振频率、导纳、自由电容等参数，则厚度机电耦合系数t k 和机械品质因数m Q 可由下式计算得到[2]： 2ππtan 22p s s t p p f f f k f f ???=?????? (1) () 2 22 2πp m s m t p s f Q f Z C f f =? (2) 式中s f 、p f 分别为材料的串、并联谐振频率，m Z 为阻抗模值的最小值（对应于导纳模值的最大值）， t C 为材料的自由电容。部分材料样品的特性由表1 列出。 表1 部分1-3型压电复合材料样品的特性 样品 编号 体积百分比(%) 厚度 (mm) 谐振频率 (kHz) k t (%) Q m 1-2 54.9 1 1028 73.033 3.5-15 4.9 3.5 443.8 62.5865-2 54.9 5 314.8 60.71217-2 54.9 7 228.7 59.6869-1 54.9 9 176.6 60.0408-3 54.9 8 198.3 60.26822-8-172.4 8 20 5.2 59.77633-8-180.2 8 210.7 57.4 37 从表1可以看出,，体积百分比及陶瓷立柱截面一定时，随着厚度的增加，谐振频率逐渐下降，厚度机电耦合系数t k 逐渐下降并趋于平缓，而m Q 值则呈现先上升后下降的趋势。当厚度一定时，随着体积百分比的增加，厚度机电耦合系数逐渐减小。上述特性是因为随着材料厚度的增加，谐振频率逐渐下降，声波在聚合物中的衰减变小，陶瓷立柱之间的横向耦合增大，从而导致厚度模机电耦合系数的下降。当厚度大到一定程度，陶瓷立柱间的耦合趋于平稳，因此厚度机电耦合系数也变得平缓。 2换能器性能对比测量和分析 为了便于比较1-3型压电复合材料和纯PZT 材料对换能器性能的影响，分别用两片相同尺寸的1-3型压电复合材料和PZT 陶瓷片制作成活塞型换能器。换能器的压电元件选用厚度为9mm 、直径为 42.7 mm 的圆片，用去耦材料固定，并安装在金属外壳内，辐射面用聚氨酯灌封。 经测量得到两种换能器空气中和水中的导纳曲线、发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线如图3～14所示。
压电纤维复合材料的研究与应用
压电纤维复合材料的研究与应用 xxxx 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文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研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高
第二章 压电复合材料有限元分析方法 (恢复)
第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的
压电复合材料
压电复合材料 摘要：压电材料具有一定的条件反射以及指令分析能力，在智能材料系统具有广泛的应用前景。本文结合压电材料的种类及应用，重点分析了我国压电材料的发展现状。 压电材料是具有压电效应材料的总称，属于具有特殊效应的新型复合材料。近年来，在化工、机械、医疗等领域的应用发展迅速，逐渐成为国际竞争的重要新技术新材料。同时，驰豫型铁电单晶、压电复合材料、高居里温度压电陶瓷、三元及多元系压电陶瓷、压电薄膜、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷等均成为了国内外压电材料行业主要研发热点。 压电材料产品种类多 21世纪最具应用潜能的新型复合材料之一——压电材料在我国发展现状几何？ 压电材料指在压力作用下，两端面间出现电压的晶体材料。根据材料的性能不同，一般分为无机压电材料和有机压电材料两大类。 常见的压电材料分类 1.无机压电材料
无机压电材料包括压电晶体及压电陶瓷。相比而言，压电晶体介电常数低、稳定性高、机械品质因子高，常见的有水晶、锗酸锂、镓酸锂等。压电陶瓷压电性能强、介电常数高、稳定性差、电损耗较大，常见的有钛酸钡BT、改性钛酸铅PT、锆钛酸铅PZT等。 此外，压片陶瓷工艺较为复杂，生产过程中需完成配料、混合磨细、预烧、二次磨细、造粒、成形、排塑、烧结成瓷、外形加工、被电极、高压极化、老化测试等工艺，产品种类较多，包括分割电极方片、单面引线电极、分割电极等。 2.有机压电材料 有机压电材料又称压电聚合物，该类材料具有密度低、柔韧度高、阻抗力低、压电电压常数高等优势，在水声、超声、电声等领域应用较广。 压电材料可用作能量转换器 国内外压电材料的应用不断取得突破 压电材料可将机械能转化为电能，常用于制造换能器，可以分为震动能—电能转换器和超声振动能—电能转换器两大类，包括水能换能器、
高分子基复合材料
高分子基复合材料Polymer Matrix Composite Materials 课程编号：07370380 学分：2 学时：30 （其中：讲课学时：30 实验学时：0 上机学时：0） 先修课程：材料科学导论、高分子化学、大学物理适用专业：高分子材料与工程、复合材料与工程 教材：《聚合物复合材料》黄丽主编，中国轻工业出版社，2012.01 第二版开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务高分子基复合材料是建立在数学、物理学、化学等课程知识的基础上，为材料科学与工程专业学生开设的一门专业方向课，其性质为选修。 通过本课程的学习，旨在让学生获得复合材料的有关基本理论和基本知识，为拓宽学科方向和今后从事相关研究和工作奠定必要的基础。其主要任务是使学生具备下列知识和能力： 1. 熟悉复合材料的常用基体材料和常用增强材料结构与性能； 2. 初步掌握聚合物基、碳基、纤维增强复合材料的种类和基本性能； 3. 能够根据实际要求合理设计材料，从微观或亚微观水平上选定合适的基体和增强体或功 能体； 4. 依靠复合材料设计知识，确定合适的表面处理技术和成型工艺； 5. 了解先进复合材料的发展概况。二、课程的基本内容及要求 第1 章绪论 1. 教学内容 （1）.复合材料的发展史 （2）.复合材料的定义、命名及分类 （3）.复合材料的特性 （4）.对高性能复合材料的期望及开发现状 2. 学习要求 （1）.了解复合材料的发展简史 （2）.掌握复合材料的概念、分类及命名规则 （3）.理解复合材料的特性及发展趋势 3. 重难点 掌握复合材料的定义及特性既是本章的重点，也是难点
第2 章基体材料 1. 教学内容 （1）.概述 （2）.聚合物基体 （3）.金属基体 （4）.陶瓷基体 （5）.碳基体 2. 学习要求 （1）.理解基体的概念 （2）.掌握基体在复合材料材料中的作用及对复合材料性能的影响（3）.了解复合材料中常用的基体类型 （4）.掌握聚合物基体的特性 3. 重难点 （1）.重点是熟悉复合材料中基体的类型及各类基体的特性（2）.难点是掌握几种常用聚合物基体的制备原理和工艺 第3章复合材料的增强材料 1. 教学内容 （1）.玻璃纤维 （2）.碳纤维 （3）.有机高分子纤维 （4）.陶瓷纤维 （5）.金属纤维 （6）.晶须 （7）.粉体增强材料 2. 学习要求 （1）.理解增强材料在复合材料中的作用 （2）.理解各类增强材料增强原理 （3）.掌握常用增强材料的制备工艺 3. 重难点 （1）.重点是理解各类型增强材料的增强机制和特点 （2）.难点是掌握几种常用增强材料的制备工艺 第4章纤维复合材料及其制造方法 1. 教学内容 （1）.聚合物基复合材料
高分子复合材料重点
高分子复合材料重点
“高分子复合材料”练习题 第1章绪论 2、简述复合材料的特性。 A 比强度和比模量,复合材料的突出特点是比强度与比模量高。 B 抗疲劳性能 C 减振性能 D 过载安全性 E 高温性能良好 F 具有可设计性 第2章基体材料 2、述不饱和聚酯树脂固化中交联剂的选择以及引发剂的结构特点； 交联剂的选择一般对交联剂有如下的要求：高沸点、低粘度，能溶解树脂呈均匀溶液，能溶解引发剂、促进剂及染料；无毒，反应活性大，能与树脂共聚成均匀的共聚物，共聚物反应能在室温或较低温度下进行。 引发剂的结构特点：引发剂一般为有机过氧化物4、简述酚醛树脂的种类及其常用固化剂； 酚醛树脂的种类：a．热固性酚醒树脂 b．热塑性酚醛树脂 c．其它类型酚醛树脂
(a)低压钡酚醛树脂。(b)硼酚醛树脂。(c)改性酚醛树脂。 常用固化剂：热固性塑料酚醛树脂一般采用酸类固化剂。常用的酸类固化剂有盐盐酸或磷酸，也可用对甲苯磺酸、苯酚磺酸或其它的磺酸。 5 简述热塑性树脂的特点及其常用产品； 热塑性树脂的特点：就是加热软化甚至熔融，冷却后硬化，这个过程是可以反复进行的，因此，热塑性树脂的加工成型是非常方便的。 常用的热塑性树脂：有聚乙烯、聚碳酸酌、聚甲醛、聚苯醚、聚矾、豪四氟乙烯等。 6、简述聚苯硫醚的结构及其物理特性。 聚苯硫醚是以硫化钠和对二氯苯为原料制备的，在其分子链中含有苯硫基，分子结构式为右方所 示。 聚苯硫醚为一种线型结构，当在空气中加热到345℃以上时，它就会发生部分交联。固化的聚合物是坚韧的，且是非常难溶的。聚苯疏醚具有优异的综合性能。表现为突出的热稳定性，优良的化学稳定性、耐蠕变性、刚性、电绝缘性及加工成型性。
纤维复合材料的热膨胀系数(1)
纤维复合材料的热膨胀系数(1) 复合材料学报 ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA 文章编号:1000-3851(2002) 03-0124-03 第19卷第3期 Vol. 19 No. 3 6月 2002年 2002 J une 纤维复合材料的热膨胀系数 王培吉, 范素华 (山东建材学院物理系, 济南250022) 摘要: 提出了一种利用压电光声技术测量材料热膨胀系数的实验方法, 并测试了单向复合材料C/C 、C/Al 的横向、纵向的热膨胀系数。根据已有的理论计算方法与实验结果对该方法的测试结果进行验证, 证明了该检测方法的可靠性, 进而又测量了C /C 、C /Al 材料在任一方向上的热膨胀系数。这种方法克服了理论计算过程复杂以及常规手段无法测量任一方向上热膨胀系数的缺陷。关键词: 热膨胀系数; 压电光声技术; 复合材料中图分类号: TB332; O482. 2 文献标识码:A THERMAL EXPANS ION COEFFICIENT OF FIBER COMPOS ITES WANG Pei-ji, FA N Su-hua (Dept . of Physics , Shandong Institute of Building Materia l , J ina n 250022, China ) Abstract: The thermal expansion coefficients of fiber composites are studied in this pa per. A method of mea suring the therma l expansion coefficient by piezoelectric photoa coustic technique was proposed . An intensity-modulated Ar la ser beam wa s used as the incident light. The beam was focused on an a bout 1μm dia meter spot and illumina ted collinearly the sa mple surface . Using the technique , piezo-electric photoacoustic signals a s a function of different frequencies were experimentally measured. The therma l expansion coefficients can be obtained by fitting the experimenta l data . On the other hand , the therma l expansion coefficients of one-wa y composite C/C a nd C/A l in the tra nsverse, longitudinal directions were mea sured . The mea sured results a re reliable by compa ring with other ca lcula tion methods a nd experimental results. Thermal expa nsion coefficients in a
高分子复合材料现状及发展趋势
高分子复合材料现状及发展趋势 8090216 王健敏 摘要：本文概述了高分子复合材料近年来的最新发展状况以及未来的发展趋势。针对不同的高分子复合材料，文章分别简要概括了液晶高分子复合材料、纳米高分子复合材料以及导热高分子复合材料这三种目前发展最为迅猛的高分子复合材料各自的发展状况。通过相关文献所报导的对于复合机理或者是具体应用上的报导，可以得知高性能、高功能、合金化、精细化、智能化的高分子复合材料是未来材料发展的主要方向之一。 关键词：液晶高分子复合材料、纳米高分子复合材料、导电高分子复合材料 21世纪是科技迅猛发展的时代，随着科学技术的发展，人们对聚合物材料的应用性能的要求日益提高，仅由合成法制备新的聚合物越来越难以满足要求的应用性能，而高分子复合材料所表现出来的优异性能引起了科学家的极大关注。高性能、高功能、合金化、精细化、智能化的高分子复合材料将在21世纪发挥出巨大的作用和无限的生命力。目前，高分子复合材料主要有高分子液晶复合材料、高分子纳米复合材料等。另外由于导热高分子复合材料的用途广泛及应用价值巨大，因此将它单独列为一类。随着科学技术的发展，这几类高分子复合材料都得到了长足的发展，下面将分别介绍各种高分子复合材料的发展状况。 1、高分子液晶复合材料
自从1888年奥地利植物学家F. Reinitzer在合成苯甲酸胆甾醇时发现了液晶后[1] , 人们对液晶材料的探索就从未停止。在1966年Dopont 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制出商品纤维——Fi2bre B后,高分子液晶走向了工业化道路。至本世纪,高分子液晶的研究已成为高分子学科发展的一个重要方向。液晶高分子当前的发展趋势是：降低成本；发展液晶高分子原位材料；开发新的成型加工技术和新品种；发展功能液晶高分子材料。目前，关于热致液晶高分子的原位复合是液晶高分子复合领域的一大热点。 原位复合材料是以热塑性树脂为基体, 热致液晶高分子为增强剂, 利用热致液晶聚合物易于自发取向成纤维或带状结构的特点, 在共混熔融后拉伸或注射成型时, 体系中的分散相TLCP 在合适的应力作用下取向形成微纤结构, 由于刚性分子链有较长的松弛时间,在熔体冷却时能被有效地冻结或保存在T P 基体中, 从而形成一种自增强的微观复合材料, 即热致液晶原位复合材料[2]。热致液晶高分子( TLCP) 具有高强度、高模量和自增强性能, 杰出的耐高温和冷热交变性能, 优异的阻燃性、耐腐蚀性、耐磨性、阻隔性和成型加工性能, 线胀系数和摩擦系数小, 尺寸稳定性高, 抗辐射、耐微波、综合性能十分优异, 被誉为超级工程材料。 据相关报道，由于碳纳米管( CNT ) 具有卓越的力学、热学、电学等理化性能, 因而广泛用于高分子复合材料改性, 由于长径比较大,只需添加极少的CNT, 就可以显著改善高分子基体的性能[3]，国内外学者对以各种聚合物为基体的CNT /聚合物纳米复合材料进行了广
0_3型PZT_PVDF压电复合材料压电性能研究
第23卷第1期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.23,No.1 2007年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2007 0-3型PZT/PVDF 压电复合材料压电性能研究 孙洪山，张德庆，王少君，祁磊 (齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006 ) 摘要：以PZT和PVDF为原料，采用热压和冷压两种工艺制备了0-3型压电复合材料，其中PZT陶瓷粉末由sol-gel法制得。研究了不同因素对复合材料压电和介电性能的影响。实验结果表明在相同成型压力下，PZT体积含量为70% 时，热压和冷压工艺制备的复合材料33d 分别为41和24，相差达到17，而ε相差最大值达到32.4。 关键词：0-3型PZT/PVDF压电复合材料；热压法；冷压法 中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2007)01-0013-04 树脂基压电复合材料是一种多相材料, 由压电陶瓷与树脂基体复合形成的一种新型功能材料[1] 。这种材料具有两相材料的优点: 良好的柔顺性、 较高的压电常数和机电耦合系数。压电复合材料的密度和声速远低于压电陶瓷, 故其声阻抗小, 易与空气、水和生物组织实现声阻抗的匹配，满足水声、电声、超声换能器等方面的要求 [2～4] 。国内外许多材料工作者在0-3型复合材料的制备工艺[5]、 影响性能的因素[6]及理论研究 [7] 等方面做了许多工作。为提高复合材料的性能，本实验采用sol-gel法合成的超细纳米PZT粉体作为功能相，为解决加工过程中的分散性问题，采用溶液混合法制备出了混合相对均匀的0-3型PZT/PVDF复合材料，并 研究了PZT体积含量、制备工艺对复合材料电性能的影响。 1 实验过程 1.1 实验原料 自制的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉末，相对介电常数ε为1 152，33d 为274 pC/N；聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末, 相对介电常数ε为12，33d 为1 pC/N。 1.2 仪器 DW-P153-1AC高压直流电源，天津市东文高压电源厂；YY2815精密元件分析仪，天津市无线电六厂；ZJ-3A型准静态测试仪，中国科学院声学研究所。 1.3 复合材料的制备 将制备的PZT粉末与PVDF粉末混合，加入适量乙醇超声震荡，混合均匀。待乙醇烘干, 将混合粉料分为两部分。一部分装入模具中, 在200℃左右热压10 MPa成型, 自然冷却至室温, 然后取出样品；另一部分装入模具, 常温10 MPa成型取出样品，所得样品直径φ=13 mm , 厚度d =0.50～0.80 mm。 1.4 极化及电性能测试 将上述样品表面抛光, 将样品的上下表面镀上免烧银电极。极化电场为10 kV/mm， 极化时间一般选择25 min，极化温度一般为110℃。极化完毕后用YY2815型精密元件分析仪测量样品的电容，测量电压为1V, 测量频率为1kHz， 根据公式S h C 00εε=, 计算出相对介电常数ε；压电应变系数33d 采用ZJ-3A型准静态测量仪测试, 测试频率为50 Hz。 2 结果与讨论 收稿日期：2006-10-18 基金项目：黑龙江省科技计划（GB02A302）资助项目 作者简介：孙洪山（1978-），男，山东省青岛市人，在读硕士研究生，从事功能材料方面的研究，Email：zhdqing@https://www.360docs.net/doc/9a2833317.html,。
压电结构纤维及复合材料要点
[1]Brei D, Cannon B J. Piezoceramic hollow fiber active composites[J]. Composites Science and Technology, 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： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 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α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，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α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 ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 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，f f (2)?ν=-αα??，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V on Mises 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α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估：
高分子材料和复合材料
第1课时高分子材料和复合材料 班级姓名 【学习目标】 1. 知道生活中常用有机高分子材料的化学成分及其重要性能 2. 认识高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响 3. 认识复合材料的结构，说出常见的复合材料及其应用 【重点难点】 1. 热塑性与热固性、天然纤维与化学纤维、天然橡胶与合成橡胶等概念的区别与联系 2. 复合材料的结构 【学习过程】 知识点一：塑料 活动一、阅读教材P101-104页相关内容，回答下列问题： 1. 有机高分子材料按性能和用途一般可分为哪些？ 2. 塑料的主要成分是什么？常见的合成树脂及添加剂有哪些？ 3. 为什么聚乙烯和聚氯乙烯塑料制品可以用加热的方法黏补，而酚醛树脂塑料制品不能用加热的方法黏补？ 4. 为什么聚乙烯塑料可制成食品保鲜袋或保鲜膜而聚氯乙烯塑料就不可以？ 5. 写出由乙烯生成聚乙烯化学反应方程式。 知识点二：纤维 活动二、认真阅读教材P106-108页相关内容后：对纤维进行分类，可分为哪几类？化学组成分别是什么？举例说明。 知识点三：橡胶 活动三、认真阅读教材P104-106页相关内容，回答下列问题： 1. 橡胶可分为哪几类？列举生活中常用的橡胶制品。 2. 天然橡胶的主要成分是什么？天然橡胶有何缺点？如何改进？ 3. 常用的合成橡胶有哪些？
知识点四：功能高分子材料复合材料 活动四、认真阅读教材P108-109页相关内容，回答下列问题： 1. 列举日常生活中常见的几种功能高分子材料。 2. 复合材料是由什么材料组成的？ 3. 列举生活中的复合材料，它们的组成分别是什么？ 【同步导练】 （）1. 从2008年6月1日起，我国禁止生产、销售、使用超薄塑料购物袋。下列对聚乙烯塑料叙述不正确 ．．．的是 A. 属于有机高分子材料 B. 大量使用会产生“白色污染” C. 生产原理符合“绿色化学”思想 D. 工业上通过乙烷加聚合成 （）2. CCTV《科技博览》报道，2004年3月中科院首创用CO2合成可降解塑料聚二氧化碳。下列相关说法不合理的是 A. 二氧化碳塑料是通过加聚反应制得的 B. 用工业废弃物二氧化碳生产塑料，有助于缓解温室效应 C. 二氧化碳塑料不能在空气中燃烧 D. 聚二氧化碳塑料的使用会产生白色污染 （）3. 下列物质的主要成分属于天然纤维素的是 A. 聚乙烯 B. 尼龙 C. 棉花 D. 涤纶 （）4. 不粘锅内壁涂有一薄层聚四氟乙烯涂层，聚四氟乙烯商品名为“特氟隆”。下列关于聚四氟乙烯的说法中，不正确的是 A. 聚四氟乙烯的单体是四氟乙烯 B. 聚四氟乙烯能够承受高温而不发生任何变化 C. 聚四氟乙烯是一种含氟塑料 D. 聚四氟乙烯广泛应用于制冷工业、化学工业等。 （）5. 属于合成有机高分子化合物的是 A. 纤维素 B. 聚乙烯 C. 肥皂 D. 淀粉 （）6.下列物质的主要成分属于有机高分子材料的是 A. 聚丙烯 B. 新型陶瓷 C. 镁铝合金 D. 钢化玻璃 7. 塑料的主要成分是_________________，聚乙烯塑料的单体是_________________，写出由乙烯制聚乙烯的化学反应方程式_______________________________________。 8. 三大合成材料指的是_________________、_________________、__________________。 9. 橡胶是制造轮胎的重要原料，天然橡胶通过___________措施可增大强度和弹性。天然橡胶的主要成分是_________________。 10. 列举三种天然纤维_________________、_________________、_________________。 11. 复合材料通常由_________________和分散于其中的_________________组成的。列举一种复合材料________________________。