压电结构纤维及复合材料

压电结构纤维及复合材

料

Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

[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 ：

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Von 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，而嵌入应力条件限制了基体材料的选择。这节讨论microfabrication by coextrusion(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)material property evaluation：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]Beckert W, Kreher W, Braue W, Ante M. Effective properties of composites utilizing fibres

with a piezoelectric coating[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2001, 21(10-

11):1455-1458.

hybird fiber with an inactive core and a piezoelectric coating, the piezoelectric inactive core provides the mechanical support, and improve mechanical stability. An electrical potential different between an inner and an outer electrode layer gives rise to an actuating electric field. A corresponding axial deformation of the fiber is induced by the 31-coupling of the piezomaterial. core fiber: glass, SiC, steel

结果：3种方法比较，d33与bulk fiber比较。

多几层薄的压电层(

)，然后加反向电压，

控制起来灵活性更大(

究,

压电陶

[3] Dai Q L, Ng K. Investigation of electromechanical properties of piezoelectric structural fiber

composites with micromechanics analysis and finite element modeling[J]. Mechanics of

Materials, 2012,53:29-46.

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（piezoelectric structural fiber composites ），纤维纵向极化，芯材为SiC 和C 且不充当电极。 the monolithic piezoceramic materials such as lead-based ceramics are brittle by nature. The fragile property makes them vulnerable to accidental breakage during operations, and difficult to apply to curved surfaces and harsh environments with reduced durability.(陶瓷材料易碎)。

金属芯：platinum ，the metal core can reinforce the composite and serve as electrode.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。the aspect ratio, α of PSF is defined as the shell thick, t divided by the outer radius, r. The volume fraction of the PSF is the volume ratio of fibers with the whole laminate.

传感模式的基本方程

驱动模式的基本方程

如果3方向是极化方向，12方向是横观各向同性面，则

本文利用驱动模式方程，由1kq kp pq ijk imn mnjk e d C ,d e C -==得到了传感模式方程的d 33.

Mori-Tanaka approach only considers the volume fraction and excludes the inclusion shape and size effects on the composite properties. Extended rule of mixture: the inclusion shape and size effects of each phase were considered.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] Dinzart F, Sabar H. Electroelastic behabior of piezoelectric composites with coated

reinforcements: micromechanical approach and applications[J]. International Journal of

Solids and Structures, 2009, 46(20):3556-3564.

[5] Lin Y, Sodano H A. Concept and model of a piezoelectric structural fiber for multifunctional

composites[J]. Composites Science and Technology, 2008,68(7-8): 1911- 1918.

这篇文献intrduction 写得好。 this paper introduces a novel active piezoelectric structural

fiber that can be laid up in a in a composite material to perform sensing and actuation, in addition to providing load bearing functionality. 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active fiber composites(AFC)、macro-fiber composites(MFC)、1-3 composites, and hollow tube active fiber composite)，这些压电复合材料的典型应用为像一个patch 粘贴在结构表面，或像一个active layers along with conventional fiber-reinforced lamina, While the PFCSs provide significant advantages over monolithic piezoceramic materials, they are still generally separate from the structural components and are not intended to provide any load bearing

functionality.或者即使埋入材料内部，也不提供承受载荷的能力。

本文对压电纤维复合材料的工程应用有比较详细的介绍，但每个应用只有一个功能，这是的一个着眼点（本文为传感/驱动+承受载荷）。

a one-dimensional micromechanics model.

Prior efforts have characterized and developed accurate models for a solid piezoceramic fiber [7], however, these models are not applicable to the active fiber developed here, because the fiber is two phase. Prior efforts did not considered the coating aspect ratio, defined as the ratio of the

piezoceramic coating thickness to the outside radius of the active fiber, or the non-uniform electric field, caused by different surface area between the inner and outer electrodes. V E(r)r ln(1)

-=--α 这个等式假定压电层很薄，在压电层厚时是不准确的。由于按此分布压电壳内边界的电场高于外边界的电场，导致两个问题：(1)内边界处驱动应变高，限制了the magnitude of the electric field applied before depoling occurs(2)导致纤维与压电壳解除约束。

如果3方向是极化方向，12方向是横观各向同性面，则

只加电场时，一次压电效应

31(r)d E(r)ε=无非均匀变形引起的约束应变

该点的应力为

截面上总的piezoelectric force

以上是为了求平均应变ε的一个虚拟(F 是一个虚拟的力，只要有应变，就假象是由一个力引起的)的过程。其实可以如下式得到

利用这个虚拟概念，可以类似得到压电结构纤维的multi 31,eff d

上式也可以由静不定求解得到：压电壳有一个平均应变f 31,eff

tw d E ε=，由于core 的约束作用，core 有一个伸长应变f ε（假设由力FF 引起），而压电壳有一个压缩应变(p ε同样由力FF 引

起)，由协调条件

层板的lam 31,eff d

由f 31,eff P P

lam

31,eff multi d Y v d Y =将multi Y 按照混合率换成P p f f m p f Y v Y v Y (1v v )++--即可。（工作：可以选用

另一种混合率方法）

层板本构关系(在电场和机械场共同作用下)，在平均意义下

算例：BAAQUS, 压电结构纤维及复合材料，core fibers 为carbon 和silicon carbonate ，模型一端施加固定边界条件。用端部的平均位移计算平均应变。

[6] Lin Y, Sodano H A. Electromechanical characterization of a active structural fiber lamina for

multifucntional composites[J]. Composites Science and Technology, 2009,69(11-12): 1825-1830.

写论文参考！

the monolithic material is brittle making it difficult to apply to curved surfaces and reducing its durability in harsh environments subject to large strains or shock loading.

压电纤维复合材料(PFCs)包括以下四种：

(1)active fiber composite(AFC)：实心圆截面压电纤维嵌入环氧树脂，电场施加困难。

(2)macro fiber composite(MFC)：压电纤维为矩形，通过压电镜片切割获得。好处是能提供与电极好的电接触。

Both the AFC and MFC use a separate interdigitated electrode pattern that is bonded to the surface of the fibers which can make embedding difficult. While the electrode pattern requires significantly higher voltages to achieve full actuation, it allows the electric field to be applied along the fiber length to capitalize on the higher d33 coupling coefficient.

(3)hollow fiber composite(HFC)：Cannon and Brei [10,11] proposed the hollow fiber composite

(HFC) in order to overcome the drawbacks of the solid fiber composites. In the HFC the electric field is applied through the thickness of the hollow fiber; from the inner and outer surfaces, significantly reducing the impedance of the material and the actuation voltage required [12]. However, due to the hollow core and fragile nature of PZT greatly restricts its application and makes hollow fiber prone to cracking and failure under mechanical loading.

(4)active structural fiber(ASF)：More recently, several research groups developed the metal core

PFCs to overcome the disadvantage of the HFC by coating a metal fiber (typical platinum fiber)

with PZT to form the active piezoelectric fibers [13–16]. The metal core serves as one electrode for

the PZT as well as carry part of the mechanical loading. Although metal core PFC provides significant advantages, the ductility and the high coefficient of thermal expansion of the metal conductor make the piezoceramic coating prone to cracking under mechanical strain and the sintering proces s.（工作：热分析）

本文制造了C和SiC芯材(能当电极)BaTiO3压电壳压电结构纤维，压电结构纤维复合材料达到70%的纯陶瓷材料的d31，这种高的耦合响应指示压电结构纤维复合材料的d31可以比其他一些纯压电材料的高，例如PZT-5H4E (d31 =320 pC/N) was used, the structural composite lamina with an aspect ratio of and volume fraction of would have a bulk coupling coefficient of greater than _224 pC/N or more than four times that of pure unreinforced barium titanate (d31 =49 pC/N).

单个压电结构纤维的有效d31已经通过试验验证，本文任务是验证压电结构纤维嵌入聚合物基体的试验验证。

材料制备细节：For this effort silicon carbide fibers (Type SCS-6, 140 lm diameter, Specialty

Materials, Inc. Lowell, MA, USA) were used for the core and as the electrodes in the EPD process. Commercial barium titanate (BaTiO3) nano-powder(BaTiO3, %, average particle size: 100 nm,

cubic phase, InframatAdvanced Materials, Farmington, CT, USA) was used as thepiezoceramic constituent because it is stable under high temperatures,has a high coupling coefficient and unlike PZT does not react with silicon carbide. Following the application of the green piezoceramic coating, the SiC fibers were sintered in a tube furnace (Thermolyne 79400) at 1200C under a nitrogen gas atmosphere as shown。After sintering the fibers, the outer surface of the BaTiO3 layer

was coated with silver paint (SPI Supplies, #5002) to form the outer electrode, schematically shown in Fig. 2c. The silver-coated fibers were heated to 600C，整个过程是芯材和压电壳在1200下烧结----然后在600度下制作银电极------然后在120度(居里温度，For bulk BaTiO3, the poling process can be done under a DC electric field (2 kV/ cm) at its curie temperature (120 C))下极化------在室温下按体积分数做环氧外层(为防止depole，温度要小于120)

试验结果对高aspect ratio有较大误差，本文分析了其中的原因。

The results demonstrate that composites fabricated form the ASF can achieve coupling levels as high as 50% of the piezoelectric constituent with volume fractions as low as 30%.

[7]Jian Liu, Jinhao Qiu, Weijie Chang, Hongli Ji, Kongjun Zhu. Metal-core piezoelectric fibers for

the detection of lamb waves. Proceedings of the ASME 2010 Conference on Smart Materials,

Adaptive Structures and Intelligent Systems, September 28 - October 1, 2010, Philadelphia,

Pennsylvania, USA.

本文将金属芯压电结构纤维MPF作为超声Lamb波(应力波)的接收器（传感器），获得MPT的电压响应。AFC 和MFC使用方式是制成复合材料，而不能直接使用纤维，更进一步，由于电极被放置在基体表面，电场损失很大，因此它们作为传感器和驱动器是低效率的。

金属芯压电结构纤维的优点：直径小、重量轻、易于与host structure结合。

压电层厚度50-150微米，MPF直径范围150-400微米，长度20毫米，因此可以与结构host-structure结合，且由于有金属芯增强，可以克服压电壳的脆性。压电结构纤维可用作传感器和驱动器。

当外电极全涂时，此时称为金属芯(本文为铂)压电纤维MPF，被用于纵向模式。当外电极半涂（必须半涂吗）时，称为半涂金属芯压电纤维HMPF。被用于弯曲模式。本文MPF作为传感器，工作于3-1模式。

Consider an MPF sensor bonded on the surface of a structure and deforms with it. Since the radius of the fiber is much smaller than its length, we can neglect all the lateral stresses. Due to axial symmetry there is no shear stress in the fiber. Under the electrical boundary conditions of an open circuit, the total charge on the electrode of an MPF sensor is zero, and

thus (零还是常量), where the integration is performed over each electrode [23]. Because there is no free charge inside the ceramics, the same expression is valid for any cylindrical area of radius r satisfying R m

[8]M. Bayat, . Aghdam. A micromechanics based analysis of hollow fiber composites using

DQEM. Composites: Part B, 2012, 43:2921-2929.

hollow fiber: a high stiffness/strength-to-weight ratio is a key advantage of composites compared to other materials.

multilayered hollow-cored inclusion.

本文研究由于利用广义平面微结构模型研究了应力、应变及有效弹性性质，以及冷却过程中产生的残余应力和空心纤维与实心纤维的能量吸收，纤维方形排列。求解利用A Least-squares based differential quadrature element method (DQEM，一种快速、简单、准确求解线性和非线性微分方程的解法）求解，结果与ANSYS进行了对比。

in which superscript C refers to the overall property of the composite.

本文的特色为将不规则求解域映射成矩形域，利用DQEM方法求解（将不规则求解域映射成矩形域，周期边界条件和应力协调条件+位移连续条件）位移型控制方程(以位移表示的平衡方程)。由于采用方形排列，有效弹性性质可由简单的方法求出。冷却过程中的热残余应力给一个-T 即可。而能量吸收则由施加应力求位移决定。

绝缘体：又称，是一种阻碍流动的材料，或不善于传导电流的物质称为。在绝缘体中，电子被紧密的束缚在其原子周围。绝缘体和导体，没有绝对的界限。绝缘体在某些条件下可以转化为导体。这里要注意：导电的原因：无论固体还是液体，内部如果有能够自由移动的或者，那么他就可以导电。没有自由移动的，在某些条件下，可以产生导电粒子，那么它也可以成为导体。

电介质：所有可被电极化的绝缘体为介电质，是一种可被的。假设将介电质置入，则束缚于其原子或分子的不会流过介电质，只会从原本位置移动微小距离，即正电荷朝着电场方向稍微迁移位置，而负电荷朝着反方向稍微迁移位置。这会造成介电质电极化，从而在介电质内部产生反抗电场，减弱整个介电质内部的电场。假若介电质是由弱键结的构成，则这些分子不但会被电极化，也会改变，试着将自己的对称轴与电场对齐。

自发极化：在一定范围内、单位内正负中心不重合，形成，呈现。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。当施加外界时，自发极化方向沿电场方向趋于一致；当外电场倒向，而且超过矫顽电场值时，自发极化随电场而反向；当电场移去后，中保留的部分极化量，即剩余极化。自发极化与电场间存在着一定的滞后关系。它是表征性质的必要条件。、，如晶体BaTiO3等具有自发极化。利用材料的这种性质，可制作，如及。

位移极化：这是一种极化现象。首先，将一块由无极分子组成的均匀电介质放在外电场中时，由于分子中的正，负电荷受到相反方向的电场力，因而正，负电荷中心将发生微小的相对位移，从而形成电偶极子，其电偶极矩将沿外电场方向排列起来。这时，沿外电场方向电介质的前后两表面也将分别出现正，负极化电荷。这是弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的一种极化方式。

取向极化：这是一种现象，外电场对电偶极矩的力矩作用，使它们倾向于定向排列，这称为“取向极化”，其极化程度与温度成反比（称为“居里定律”）。

铁电体：某些晶体在一定的温度范围内具有，而且其自发极化方向可以因外的反向而反向，晶体的这种性质称为，具有铁电性的晶体称为铁电体。

铁电畴：铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴(ferroelectric domains)。两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互成90°，则其畴壁叫90°畴壁。此外，还有180°畴壁等。

铁电体的极化随着电场的变化而变化，极化强度与外加电场之间呈非线性关系。如图所示，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，此时可逆的畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场地增加比线性快。当电场达到相应于B 点的值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增加（BC段）。如果趋于饱和后电场减小，极化将按CBD曲线减少，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态。线段OD表示的极化称为剩余极化Pr （remanent polarization）。若过C点沿着CB做一切线交y轴为E，则线段OE等于自发极化Ps（saturation polarization）。若电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一过程如曲线DFG所示。OF代表的是使极化为零的电场，称为矫顽场Ec（coercivefield）。电场在正负饱和值之间循环一周时，极化与电场地关系如曲线CBDFGHC所示，此曲线称为电滞回线（hysteresis loop）。

极化强度随外电场增加而增加。如图中OA段。电场强度继续增大，最后方向都趋于，类似于单畴，极化强度达到饱和，这相当于图中C附近的部分。此时再增加P与E成（类似于单个弹性）将这线性部分外推至E=0时的情况，此时在纵轴P上的截距称为饱和极化强度。

极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽和饱和场强随温度升高而降低。饱和极化强度：铁电体的极化强度随外加电场的增加而增加时所可能达到的最大值。

极化电场和击穿电场：极化电场大于矫顽场，由高引起的材料裂纹扩展导致的断裂。

极化后压电材料的受力或外加电场：

(1)正压电效应：沿着极化方向施加压力，使正负束缚电荷之间的距离变小，单位体积的偶极矩变小，极化强度变小，原来吸附在陶瓷片上的自由电荷有一部分被释放而出现的放电现象，当去掉外力后，。。。。。。

(2)逆压电效应：在陶瓷片上施加一个与极化方向(负电荷指向正电荷)，正负电荷之间的距离加大产生伸长变形。

(3)由于陶瓷片内的极化电荷是束缚电荷而不是自由电荷，在陶瓷中产生的放电和充电现象是通过陶瓷内部极化强度的变化引起电极面上的自由电荷的释放与补充的结果。当把电压表接到陶瓷片的两个电极进行测量时是无法测出陶瓷内部的极化强度的。这是因为陶瓷片的极化强度总是以点偶极矩形式表现的，陶瓷的一端出现正的束缚电荷，另一端出现负的束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片上吸附了一层来自外界的自由电荷，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内部极化强度对外界的作用，所以用电压表不能测出陶瓷片内部的极化强度。

压电材料的边界条件：

压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。四类边界条件为：

（1）电学边界条件

短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变（压电材料两个电极面间有电压且不变电极面上无自由电荷束缚电荷不是约束自由电荷吗）。它的上标用E表示。

开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。它的上标用D表示。

（2）机械边界条件

自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。它的上标用T表示。

夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。它的上标用S表示。

四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。

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。

玄武岩纤维在汽车行业上的应用前景分析

玄武岩纤维在汽车行业上的应用前景 核心提示：近几年来，随着石油、钢材等不可再生资源的加速消耗，使得资源开发变得愈加 紧张，按照当今的开采及耗损量，保守估计，石油及钢材 近几年来，随着石油、钢材等不可再生资源的加速消耗，使得资源开发变得愈加紧张， 按照当今的开采及耗损量，保守估计，石油及钢材只能维持30～50年。因此，开发可替代钢材的材料显得尤为重要。在50年代末，就有人提出以石代钢的想法，自70年代，玄武岩纤维的成功研发，使得这一想法得以实现。 玄武岩纤维具有力学性能佳，耐高温性能好，化学性能稳定，生产过程环保等优点。 玄武岩纤维复合材料的性能远远比钢材优异，而其重量却远小于钢材，将其应用于汽车上， 可以大大的减轻汽车的负重，从而降低能源消耗，而其性能又能得以极大的提升。玄武岩纤维制品具有可自然降解性，与环境相容性好的优点，既符合汽车材料向着高性能发展的要求，也符合国家对于汽车材料绿色环保的要求，在汽车行业中有着良好的应用前景[1-4]。 1玄武岩纤维的优异特性 1.1力学性能 玄武岩纤维的密度为 2.5~2.7g/cm3，拉伸强度为3000~3500MPa,弹性模量为100~150GPa,断裂伸长为 3.2%,莫氏硬度为 6.5~7.5°,因此它具有优异的耐磨抗拉增强性能加拿大一家公司研制生产的玄武岩连续纤维其拉伸强度达到4840MPa,接近于高强碳纤维,而其成本却远低于碳纤维 1.2吸音性能 玄武岩纤维具有优异的吸声性能，将其制品在不同音频下的吸音系数进行实验得出， 随着频率的增加，它的吸声系数显著增加[5]。如选用材料直径1～3μｍ的玄武岩纤维制成的(密度为15kg/m3，厚度为30mm)吸音材料，其吸音性能见表1。

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

玄武岩纤维

玄武岩纤维 简介 玄武岩纤维（Basalt Fiber）是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。类似于玻璃纤维,其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间,纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色。 玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为我国重点发展的四大纤维之一，在我国基本上实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。 玄武岩纤维表面较光滑，表面能较低，经过表面改性后，其表面增加纳米SiO2粒子，有效地提高纤维表面粗糙度，增加了微生物与载体间的有效接触面积；改性后表面有阳离子的存在，载体表面电位升高，载体表面带正电荷，利用静电吸力促进微生物固定，有利于微生物固定化；改性后表面的活性官能团，增加了载体的表面能，所含有羟基、羰基或羧基等，对微生物在载体表面粘附生长有积极的作用。通过玄武岩纤维载体表面改性，使其具有良好的亲水性和微生物负载性能，使之能够负载更多的生物量，且长时间保持较高的微生物活性，从而实现

更有效通过生物膜法降解水体中污染物。 玄武岩的发展 （1）玄武岩连续纤维作为一种新型绿色环保材料出现在20世纪60年代初。 （2）从70年代起，美国和德国的科学家先后对玄武岩纤维的制备进行了大量的研究。 玄武岩纤维的组成与结构 玄武岩纤维的密度在2.6~3.05g/cm3之间，主要组分如下表所示。 表1 玄武岩纤维主要组分含量 组分SiO2Al2O3CaO FeO MgO Na2O Fe2O3K2O TiO2P2O5含量51.4 14.83 10.26 8.47 5.92 2.42 1.73 1.20 0.84 0.32 玄武岩纤维各组分的作用如下表所示。 表2 玄武岩纤维革组分作用 组分SiO2 、 Al2O3 FeO Fe2O3 TiO2CaO MgO 作用提高纤维的化学 稳定性和熔体的 黏度提高成纤的使用 温度 提高纤维的化学稳定 性、熔体的表面张力和 黏度 属于添加剂范畴， 有利于原料的熔化 和制取细纤维 玄武岩纤维的性能 （1）热稳定性。玄武岩纤维板的热导率低，在25℃下的热导率仅为0.04W/（m?K），可以在650℃高温下使用，而玻璃纤维在同一条件的使用温度不超过400℃。 （2）声绝缘性。随着频率的增加，其吸音系数显著增加。玄武岩纤维隔音和吸音效果好，采用玄武岩纤维制作的隔音材料在航空、船舶等领域有着广阔的前景。 （3）介电性能、电绝缘性能和电磁波的透过性。玄武岩纤维具有良好的介电性能。它的体积电阻率比玻璃纤维要高一个数量级。玄武岩中含有质量分数不到20%的导电氧化物，可用于制造新型耐热介电材料。玄武岩纤维具有比玻璃纤维高的电绝缘性和对电磁波的高透过性。

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

连续玄武岩纤维的发展及应用前景

连续玄武岩纤维的发展及应用前景 1.2国发展研究现状 我国自20世纪70年代起，就断断续续地开展对CBF的研究，但未获得成功。2001年我国工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2004年工业大学研究院与航天万欣科技组建了航天拓鑫科技，进一步研究改进玄武岩连续纤维制造设备功能，开发出玄武岩纤维终端产品。 2002年，我国正式将连续玄武岩纤维列入国家863计划，承担该课题项目的俄金碳材料科技(由黄金屋真空科技与俄罗斯一家军工材料研究院合资组建的)和大型民营企业横店集团等3家股东注资2000万人民币，于2003年12月成立了横店集团俄金玄武岩纤维。经近两年来的技术开发，横店集团俄金玄武岩纤维采用创新的生产技术和“一步法”工艺，取得了以纯天然玄武岩(不添加任何辅料)为原料生产连续玄武岩纤维的研发成果，并成功实现了工业化生产。该公司不仅掌握了电熔炉、火焰炉、气电结合的生产技术，而且生产的多轴向织物树脂基复合材料及玄武岩纤维片材等复合材料等产品得到军工和民用领域有关用户的认可。 目前，发展中的横店集团俄金玄武岩纤维是继俄罗斯等独联体与美国之后的全世界具有一定规模、排名第六位的生产工厂。玄武岩连续纤维的发展规划有专家学者预测： 2010年全国生产玄武岩连续纤维1万t，2020年为7万t～10万t。 2玄武岩纤维（CBF）的性能 2.1新型环保性材料 CBF具有非人工合成的纯天然性，加之生产过程无害，且产品寿命长，是一种低成本﹑高性能﹑洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金

属氧化物排出，使CBF制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体，无工业垃圾及有毒物质污染环境。玄武岩纤维在很大程度上可代替玻璃纤维，被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域，因而，CBF被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。 2.2功能性优良的材料 CBF是继碳纤维﹑芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维的第四大高技术纤维支柱，在许多条件下可替代碳纤维﹑芳纶纤维，在某些场合甚至比上述两种纤维性能还好。玄武岩纤维及其制品的异常优越性能具体表现在以下几个方面： （1）显著的耐高温性能和热震稳定性。CBF的使用温度围为－260 ℃～880 ℃，这一温度远远高于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢，接近硅纤维、硅酸铝纤维和瓷纤维；热震稳定性好，在500℃温度下保持不变, 在900℃时原始重量仅损失3%[5]。 （2）较低的热传导系数。CBF的热传导系数为0.031 W/m·K～0.038 W/m·K,低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢。 （3）高的弹性模量和抗拉强度。CBF的弹性模量为：9100 kg/mm2～11000 kg/mm2，高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维。CBF 的抗拉强度为3800～4800 MPa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。 （4）化学稳定性好。CBF的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好[6～7]。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外线照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相比美。 （5）吸音系数较高。CBF的吸音系数为0.9～0.99,高于无碱玻纤和硅纤维；优良的透波性和一定的吸波性，吸音和隔音性能优异，具有良好的隐身性能, 可制做隐身材料。

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。

连续玄武岩纤维的发展及应用前景

连续玄武岩纤维的发展及应用前景 1.2国内发展研究现状 我国自20世纪70年代起，就断断续续地开展对CBF的研究，但未获得成功。2001年我国哈尔滨工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2004年哈尔滨工业大学深圳研究院与成都航天万欣科技有限公司组建了成都航天拓鑫科技有限公司，进一步研究改进玄武岩连续纤维制造设备功能，开发出玄武岩纤维终端产品。 2002年，我国正式将连续玄武岩纤维列入国家863计划，承担该课题项目的深圳俄金碳材料科技有限公司(由深圳黄金屋真空科技有限公司与俄罗斯一家军工材料研究院合资组建的)和大型民营企业横店集团等3家股东注资2000万人民币，于2003年12月成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。经近两年来的技术开发，横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司采用创新的生产技术和“一步法”工艺，取得了以纯天然玄武岩(不添加任何辅料)为原料生产连续玄武岩纤维的研发成果，并成功实现了工业化生产。该公司不仅掌握了电熔炉、火焰炉、气电结合的生产技术，而且生产的多轴向织物树脂基复合材料及玄武岩纤维片材等复合材料等产品得到军工和民用领域有关用户的认可。 目前，发展中的横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司是继俄罗斯等独联体与美国之后的全世界具有一定规模、排名第六位的生产工厂。玄武岩连续纤维的发展规划有专家学者预测： 2010年全国生产玄武岩连续纤维1万t，2020年为7万t～10万t。 2玄武岩纤维（CBF）的性能 2.1新型环保性材料 CBF具有非人工合成的纯天然性，加之生产过程无害，且产品寿命长，是一种低成本﹑高性能﹑洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金

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

玄武岩短纤维复合材料的研究

摘要：介绍了玄武岩纤维的研究方法以及国内外发展历程和现状，玄武岩纤维性能和应用领域，表明玄武岩纤维用于防火隔热材料，过滤材料，增强复合材料，电子技术等具有明显的优势以及对未来发展的展望。 关键词：玄武岩纤维；防火隔热；过滤环保；增强复合；高技术纤维。 一、概述： 玄武岩纤维是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。以玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域，故玄武岩纤维被誉为21世纪的新材料。 近年来，国内似乎又形成了一股“玄武岩纤维热”，其“热”主要体现在两个方面，一方面有关玄武岩纤维方面的文章大量涌现，有的文章甚至把玄武岩纤维捧得似乎无所不能，另一方面国内有好几家企业上马玄武岩纤维生产线项目，人们对玄武岩纤维项目更是热情有加，似乎哪里有玄武岩资源，就有上马玄武岩纤维项目的最大优势。据了解目前至少已建成了两家玄武岩纤维生产厂，还有一些地方也在准备抓紧建造玄武岩纤维生产线。从建成的生产线厂家来看，目前在市场的开拓方面也是不容太乐观。有些厂家为了降低成本，提高成纤率，在玄武岩原料中，掺入一些助熔剂，如萤石，碎玻璃等，这些助熔剂如果没有经过科学论证，将劣化玄武岩纤维原有的性能，并且也不再是严格意义上的玄武岩纤维了。

二．玄武岩纤维的性能 1．新型环保性材料 玄武岩纤维具有非人工合成的纯天然性，加之生产过程无害，且产品寿命长，是一种低成本﹑高性能﹑洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使玄武岩纤维制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体，无工业垃圾及有毒物质污染环境。玄武岩纤维在很大程度上可代替玻璃纤维，被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域，因而，玄武岩纤维被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。 2．功能性优良的材料 玄武岩纤维是继碳纤维，芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维的第四大高技术纤维支柱，在许多条件下可替代碳纤维﹑芳纶纤维，在某些场合甚至比上述两种纤维性能还好。玄武岩纤维及其制品的异常优越性能具体表现在以下几个方面： （1）显著的耐高温性能和热震稳定性。玄武岩纤维的使用温度范围为－260 ℃～880 ℃，这一温度远远高于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢，接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维。 （2）较低的热传导系数。玄武岩纤维的热传导系数低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢。 （3）高的弹性模量和抗拉强度。玄武岩纤维的弹性模量为：9100 kg/mm2～11000 kg/mm2，高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙

连续玄武岩纤维的发展和应用前景

连续玄武岩纤维的发展及使用前景 2010年3月15日中国纤检 摘要：介绍了连续玄武岩纤维的国内外发展历程和现状，连续玄武岩纤维性能和使用领域，表明连续玄武岩纤维用于防火隔热材料，过滤材料，增强复合材料，电子技术等具有明显的优势。结合连续玄武岩生产工艺目前存在的问题，给出了几点建议并提出了要尽快制定玄武岩纤维的国家标准，促进连续玄武岩纤维的安全可持续发展。 关键词：连续玄武岩纤维；防火隔热；过滤环保；增强复合；高技术纤维 连续玄武岩纤维（CBF）是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛使用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域，故CBF被誉为21世纪的新材料[1]。随着国外工艺技术的不断改进以及新市场的不断开拓，玄武岩纤维有望成为第四大高强高模纤维。 1国内外发展研究状况 1.1国外发展研究状况 以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从1840年首先在英国威尔斯试制成功到现在已有160多年的历史[2]。1922年在美国专利(OS1438428)出现由法国人Paul提出玄武岩纤维制造技术，但没有实质性生产。

20世纪50年代初期，德国、捷克和波兰等东欧国家以玄武岩为原料，采用离心法生产出了纤维平均直径为25μm～30μm的玄武岩棉。随后60年代初期，美国、前苏联、德国等大力发展垂直立吹法生产工艺，使玄武岩棉产量迅速增长前苏联引进了德国立吹法制造矿物棉的生产专利，在消化、吸收的基础上，成功地将该项技术使用于玄武岩棉的生产，设计生产能力为日产38吨～40吨玄武岩棉。玄武岩纤维的研究工作主要集中在前苏联。玄武岩纤维于1953～1954 年由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出[3]。苏联早在20世纪60～70年代就致力于连续玄武岩纤维的研究工作，乌克兰建筑材料工业部设立了专门的别列切绝热隔音材料科研生产联合体，主要任务是研制CBF及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于 1972 年开始研制制备CBF，曾经研制出 20 多种CBF制品的生产工艺[4]。1973年，前苏联新闻机构报道了有关玄武岩纤维材料在其国内广泛使用的情况。1985年在前苏联的乌克兰率先实现工业化生产，产品全部用于前苏联国防军工和航天﹑航空领域。 1991年前苏联解体后，此项目开始公开，并用于民用项目。目前连续玄武岩主要研发及生产基地在俄罗斯及乌克兰两个国家。苏联的解体，客观上影响了CBF的推广使用，但是，由于玄武岩纤维具有有别于碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的一系列优异性能，而且性价比好，引起了美国、欧盟等国防军工领域的高度重视。 1.2国内发展研究现状 我国自20世纪70年代起，就断断续续地开展对CBF的研究，但未获得成功。2001年我国哈尔滨工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2004年哈尔滨工业大学深圳研究院和成都航天万欣科技有限公司组建了成都航天拓鑫科技有限公司，进一步研究改进玄武岩连续纤维制造设备功能，开发出玄武岩纤维终端产品。

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、

高性能纤维及复合材料

高性能纤维及复合材料 新材料全球交易网 （新材料全球交易网提供）高性能纤维及复合材料属于高分子复合材料，它是由各种高性能纤维作为增强体置于基体材料复合而成。其中高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m3) 等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高分子复合材料与传统材料相比，具有更高的比强度、耐化学品和耐热冲击性，以及更大的设计灵活性。按照合成的原料不同，高性能纤维主要分为碳纤维、芳纶纤维、特殊玻璃纤维、超高分子聚乙烯纤维等，其中碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维。 高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。高性能纤维及复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。 中国高性能纤维及复合材料自动铺带机工程化研制取得进展 人工、半自动人工铺放与自动铺放对比（资料图） 先进复合材料因比模量、比强度高，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，成为飞机结构重要发展方向之一。轻质、高强、性能优异的高性能纤维及复合材料成为理想的结构用材，并逐渐从小型、简单、次承力结构向大型、复杂、主承力结构过渡。国外军机上复合材料用量普遍占结构重量的25%～50%；在民用领域，波音公司787飞机的复合材料用量达到50%，而A350XWB复合材料用量达到了创纪录的52%。 用于高性能纤维及复合材料结构制造的先进专用工艺装备在国外迅速发展，特别是基于预浸料的复合材料自动铺放设备，包括自动铺带机和铺丝机，已在国外最先进的战机和民机制造中得到广泛应用。这些先进铺放装备具有人工/半自动人

连续玄武岩纤维产业的发展现状及思考

“点石成金”当梦想遭遇现实 ——连续玄武岩纤维产业的发展现状及思考 浙江石金玄武岩纤维有限公司胡显奇 “点石成金曾是一种神话，一种比喻，如今这种梦想已经成真，人们用普通的石头——玄武岩拉丝并制作出各种高级产品就是最典型的事例。”这是长期从事地质与环境研究的中国科学院院士刘嘉麒在《绿色高新材料——玄武岩纤维具有广阔前景》一文中所作的阐述。然而，当“点石成金”神奇而美好的梦想遭遇现实时，却并不浪漫和乐观，发展的道路崎岖坎坷，先驱者要披荆斩棘，更要经受凤 凰涅槃的洗礼。 连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fiber，以下简称CBF）是以火成岩中的玄武岩为唯一原料，在1450℃～1500℃条件下进行熔融拉丝而成的纯天然连续纤维。其突出的综合性能使之有望发展成为国防安全和国民经济发展领域不可或缺的重要基础材料之一。但确切地说，与其它高技术纤维一样，目前CBF在中国乃至在全球的发展状况还不足以成为“产业”。不过，作为一种代表未来绿色材料发展方向的纯天然高技术纤维，尤其是作为新资源产业，玄武岩纤维终将破茧而出。在此，笔者结合自己从事CBF研究、开发、生产和营销8年多来的实践和思考谈一些也许并不成熟的看法，供关注CBF产业发展的政府部门、专家学者、投资者和企业界人士参考。 现状——激流涌动

回眸玄武岩纤维在前苏联于1985年获得初级生产技术后的这一段发展历程，不难发现其发展历程呈现出了“U”字型轨迹。1991年的苏联解体对CBF产业造成了极大的影响，在随后的十几年时间里，发展陷于停滞。近5年，随着世界经济的高速发展和环境友好概念的深入人心，CBF再次走向前台。目前全世界只有乌克兰、俄罗斯、格鲁吉亚、中国、韩国、奥地利、比利时和德国等少数国家拥有CBF工业生产技术，全世界生产厂家不超过20家。主要集中于乌克兰、俄罗斯和中国，形成了“三足鼎立”的格局（见表1）。 表1：世界CBF生产商情况统计 从熔融拉丝使用的能源来分类，其炉型大致可以分为3种：一是以天然气或液化气为能源的火焰炉，以俄罗斯Kamenny Vek公司和我国的成都拓鑫公司为代表；二是全电熔炉，以我国的浙江石金公司为代表；三是气电结合炉 我国从2005年有小规模生产开始，6年间进入到连续玄武岩纤维领域的企业达到了6家以上，他们分别是：横店集团控股的“浙江石金玄武岩纤维有限公司”（由横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司与浙江得邦高技术纤维有限公司合并而成）、中国航天科技集团控股的“四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司”、辽宁营口百盛纤维制品有限公司、牡丹江电力公司控股的“牡丹江金石玄武岩纤维有限公司”、辽宁阜新煤矿控股的“辽宁金石科技集团有限公司”、辽宁营口市宏源