PZT-5H基壓電纖維復合材料低頻傳感性能研究

李加紅，周 靜，沈 杰，田 晶，周晶晶

(1. 武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學 三亞科教創新園，海南 三亞 572019)

0 引言

地震勘探是礦產資源開采、工程安全實驗和地質危害管理中最可靠、最常用的技術[1]。振動傳感器用于獲取地震波信號，是地震勘探系統的最前端儀器，其直接決定采集數據的質量。在地震勘探過程中，隨著探測深度的增加，傳回地面的地震反射波主要以低頻為主，且振幅相對較小。因此，深層地震勘探需要具有高靈敏度和低諧振頻率的傳感器。目前常用于地震勘探的傳感器包括動圈式傳感器[2]、壓電式傳感器[3]、光纖式傳感器[4]及微機電系統(MEMS)式傳感器[5]等。其中，傳統的動圈式傳感器在地震勘探技術上雖較成熟，但受自身機械特性的限制，其靈敏度低，固有頻率高，難以滿足深部地震勘探的低頻要求；光纖式傳感器及MEMS傳感器由于高成本和適用性等問題，無法大規模應用。壓電傳感器靈敏度高，頻帶寬，動態范圍大，實用性強，且成本適中，被廣泛應用于地震勘探領域。

壓電傳感器[6]是利用壓電材料的壓電效應獲取地震信號的振動傳感器。現有的壓電傳感器使用壓電陶瓷作為敏感元件，反復受力變形時會出現裂紋，影響到傳感器的壽命與可靠性，且受結構形式與物性限制，低頻截止頻率約為10 Hz。壓電纖維復合材料(MFC)是由壓電相和聚合物相按照一定的連通性組成[7]，既克服了壓電陶瓷材料脆性大和柔韌性差等不足，又具有很高的壓電常數，且其單向性能突出和可設計性強等特點，被廣泛應用于傳感[8]、振動控制[9]、驅動[10]、結構健康監測[11]和能量采集[12]等領域，是目前最理想的智能材料之一。

MFC作為傳感元件一般裝配于彈性基板上使用，根據使用方式的不同，MFC與基板的裝配方式可分為懸臂梁式、周邊固支、周邊簡支和簡支梁式4種[13]。在相同外部載荷下，與其他3種結構相比，懸臂梁式能產生更大的變形和應變，具有更低的諧振頻率[14]，且對低頻段的振動更靈敏。因此，基于MFC高壓電性、柔韌性的特點與懸臂梁的低頻適用性，本文提出MFC懸臂梁結構，通過合理地設計懸臂梁結構參數，實現了低頻高靈敏的性能特點，為MFC懸臂梁結構應用于低頻傳感領域提供了研究參考。

1 MFC制備與測試方法

1.1 MFC制備

MFC是由壓電復合層、叉指電極及聚酰亞胺封裝膜復合而成的一種壓電復合材料，其復合結構如圖1(a)所示，本文選取課題組制備的高壓電性、高機電耦合系數、低損耗的PZT-5H壓電陶瓷作為MFC中壓電相材料，壓電陶瓷的材料性能參數如表1所示。表中，d33為壓電常數，ρ為密度，kp為機電耦合系數，εr為介電常數，tanδ為介電損耗。

圖1 MFC示意圖

表1 PZT-5H材料參數

本文采用切割-填充法制備MFC，首先將一定尺寸的矩形陶瓷塊(40 mm×6 mm×10 mm)沿長度方向進行開槽，得到壓電纖維寬度與間距一致,且為0.35 mm的壓電纖維陣列；然后將配成的環氧樹脂粘結劑澆筑到壓電纖維陣列中，并置于30 ℃真空干燥箱中抽真空固化，得到環氧樹脂填充的壓電纖維陣列；再沿已固化的壓電纖維陣列寬度方向進行橫向切割，得到厚度為0.35 mm的壓電復合層；最后將叉指電極與壓電復合層通過高分子聚合物(環氧樹脂)基體封裝成一個整體，獲得壓電纖維復合材料如圖1(b)所示。

1.2 測試方法

采用金相顯微鏡(日本Nikon公司，Eclipse Lv150n)觀察MFC中纖維與聚合物間及壓電復合纖維層與叉指電極間的界面結合狀態。采用鐵電工作站(美國Radiant公司)測量MFC的鐵電響應行為。采用高壓發生器(美國Trek公司，Model 609A)為電滯回線的測試提供高壓驅動。

采用自行搭建的測試平臺進行傳感性能測試，MFC的傳感性能一般通過采集其兩端的輸出電壓來表征。圖2為懸臂梁振動測試平臺。將MFC固定在懸臂梁上，懸臂梁的頂端固定在振動臺上，另一端自由，樣品通過導線連接數字萬用表(吉時利，DMM7510)，在傳感測試平臺上通過電動振動臺(蘇州蘇試公司，DC-1000-15)提供不同加速度和頻率來驅動懸臂梁，通過軟件程序控制參數確保在頻率測試范圍內所提供的加速度是恒定的。測試不同加速度和頻率下MFC的輸出電壓信號，進而表征MFC對加速度傳感性能。

圖2 MFC傳感裝置示意圖

2 有限元仿真與懸臂梁結構設計

2.1 MFC懸臂梁模型建立

本文采用COMSOL Multiphysic多物理場有限元仿真軟件建立MFC懸臂梁結構模型，如圖3(a)所示。MFC懸臂梁結構由壓電纖維復合材料、懸臂梁基板組成，其中懸臂梁一端固定，在其自由端沿z方向施加體載荷。MFC懸臂梁應力分布如圖3(b)所示。由圖3(b)可看出，MFC懸臂梁的一階振動模態為彎曲振動，且越靠近固定端,應力越大，從固定端到自由端應力逐漸變小，故將MFC粘貼在懸臂梁的根部，由此獲得最大的靈敏度。

圖3 仿真模型示意圖

2.2 懸臂梁材料對MFC電輸出性能的影響

在振動源激勵下，懸臂梁受到應力并產生彎曲形變，振動信號將轉變成同頻同振幅的力信號傳遞給懸臂梁上的MFC，MFC作為力-電轉換的元件，將感知到的力信號轉換成同頻電信號，最終由于力的傳遞，使敏感元件MFC輸出與振動激勵同頻正相關的電信號。本文選擇4種不同材料的懸臂梁基板，以探究不同基板材料對MFC電輸出性能的影響。

分別選取不銹鋼、鋁、黃銅、碳纖維4種典型的材料，仿真模擬中給予壓電復合懸臂梁沿z軸方向且加速度為1g(g=9.8 m/s2)的動態載荷，分析懸臂梁材料對MFC懸臂梁傳感器性能的影響。圖4為在1g加速度動態載荷條件下，不同懸臂梁材料的MFC輸出電壓隨頻率變化的曲線。由圖可看出，MFC的輸出電壓在諧振頻率時達到峰值。在相同條件下，諧振頻率為196 Hz時不銹鋼基板的MFC輸出電壓最大(為36.4 V)。在諧振頻率為204 Hz和180 Hz處，鋁和黃銅基板MFC輸出電壓分別為30.2 V和32.9 V。在諧振頻率為164 Hz時，碳纖維基板MFC輸出電壓最低(為8.9 V)。考慮到基板材料對MFC輸出電壓的影響，本文選用不銹鋼作為懸臂梁的材料，同時其腐蝕性、耐熱性和彈性穩定性均較好。

圖4 不同基板材料對MFC輸出性能的影響

2.3 懸臂梁尺寸參數對MFC輸出性能的影響

MFC的輸出電壓與懸臂梁厚度有關，為了分析懸臂梁厚度對MFC輸出電壓的影響規律，設置MFC的尺寸參數不變，通過改變懸臂梁厚度，仿真求解得到MFC輸出電壓與懸臂梁厚度間的變化關系，如圖5所示。由圖可看出，懸臂梁厚度過大或過小均會導致MFC輸出電壓過低，當懸臂梁厚度為0.4 mm時，MFC的輸出電壓達最大值(為37.2 V)。這是由于懸臂梁厚度過小，結構強度受到影響，同時影響MFC應力的有效傳遞；懸臂梁厚度過大將會導致結構彎曲剛度較大，從而引起懸臂梁形變量減少。因此，合理的選擇懸臂梁厚度，可保證MFC使役過程中應力的有效傳遞，進而增大MFC的輸出電壓。本文采用厚0.4 mm的懸臂梁。

圖5 懸臂梁厚度對MFC輸出性能的影響

為了分析懸臂梁寬度對其產生電壓的影響規律，仿真求解得到MFC輸出電壓與寬度間的變化關系如圖6所示。由圖可看出，在一定范圍內，MFC輸出電壓隨其寬度的增大而減小。這是由于MFC作為傳感器件的一部分，其有效面積固定(40 mm×6 mm)，輸入的動能不變，隨著基板寬度的增加，其負載質量逐漸增加，動能轉換成電能的效率變低，導致MFC上產生的電荷量變小，其輸出電壓逐漸變小。因此，本文采用寬度10 mm的懸臂梁。

圖6 懸臂梁寬度對MFC輸出性能的影響

圖7為懸臂梁長度對MFC輸出電壓和諧振頻率的影響。由圖可看出，當懸臂梁長度為45 mm時，MFC輸出電壓最大(為37.6 V)。隨著懸臂梁長度的增加，諧振頻率逐漸降低。懸臂梁長度是影響諧振頻率最重要的因素。為了避免諧振頻率過低，帶寬過窄，懸臂梁長度不應過長。綜合考慮諧振頻率與輸出電壓的影響，本文選取MFC的長度為45 mm。

圖7 懸臂梁長度對MFC輸出性能的影響

3 測試與討論

3.1 MFC結構表征

MFC的封裝是將叉指電極與壓電復合層通過高分子聚合物基體封裝成一個整體，封裝結果決定MFC的極化程度和性能表現。封裝過程中如果叉指電極和復合材料界面間、壓電陶瓷和聚合物界面間尺寸不均或存在缺陷，將使界面處空間電荷聚集，存在介電擊穿等危險。本文封裝采用熱壓工藝，在真空中嚴格控制溫度和壓力，保證MFC制備工藝的一致性和性能穩定性。

圖8(a)為壓電纖維復合層的纖維結構圖。由圖可看出，在壓電纖維復合層中，環氧樹脂與壓電纖維間連結緊密，可以很好地傳遞應力。同時，壓電纖維的寬度與間距控制得很好。圖8(b)為MFC的斷面顯微結構圖。由圖可看出，壓電纖維、環氧樹脂和叉指電極間粘結緊密，無明顯缺陷，上下電極對應狀態良好，且叉指電極與壓電纖維間的環氧粘結層非常薄，接觸良好。

圖8 MFC結構分析

3.2 MFC鐵電性能

壓電陶瓷屬于鐵電體，其自發極化強度P將因為外加電場E的引入而轉向，在未極化前，壓電陶瓷內部偶極子各方向上的矢量和為0。因此，壓電纖維復合材料工作前必須進行極化。為了探明MFC的極化特性，本文研究了未極化的MFC樣品處于不同驅動電壓條件下的電滯回線(P-E曲線)。

圖9為不同電壓幅值下MFC的P-E曲線，驅動電壓頻率為1 Hz。由圖可看出，MFC的剩余極化強度隨外加電壓的增加而升高，當外加電場強度較低時，MFC的P-E曲線不明顯，剩余極化強度較小；當施加1 500 V高外加電場時，根據可逆電疇翻轉機制，電疇轉向后，無法靠自身內在恢復力回到初始狀態，所以剩余極化強度大，P-E曲線更飽和。

圖9 不同電壓下MFC的電滯回線

通過提高外加電場強度可有效地提高壓電纖維復合材料的極化強度，充分發揮材料的性能。本文中壓電纖維復合材料的極化條件初步確定為常溫下1 500 V直流電壓，保壓時間為15 min。

3.3 MFC的傳感性能

根據有限元仿真提出的設計，采用不銹鋼材料制備了45 mm×10 mm×0.4 mm的懸臂梁，并將其與MFC裝配進行傳感性能的測試。

通過振動臺提供振動加速度g，給MFC懸臂梁加速度分別為1g、1.5g、2g、2.5g、3g的動態載荷，利用數字萬用表記錄MFC的輸出電壓信號。圖10(a)為1g載荷下MFC頻率響應的實測和仿真數據對比。由圖可以看出，MFC的輸出電壓隨著激勵頻率的增加而先增加后減小，在諧振頻率時達到峰值。相同結構參數下，實測MFC在諧振頻率為212 Hz時，輸出電壓最大為28.5 V；而仿真中MFC輸出電壓最大為36.2 V，諧振頻率為216 Hz。實測與仿真數據存在一定誤差，這是由于仿真中邊界條件的設置比實驗完美，忽略了實驗中其他影響因素，如MFC與懸臂梁間的粘結層對力傳遞的影響造成電輸出性能的降低[15]等因素。如圖10(b)所示，隨著振動加速度的增大，MFC的輸出電壓也逐漸增大，當振動加速度為3g時，輸出電壓最大為85 V。當振動頻率在諧振頻率附近時，輸出電壓突然增加，使MFC作為傳感元件在靠近諧振頻率范圍內穩定性較差。圖10(c)為不同振動加速度及頻率下輸出電壓。由圖可以看出，隨著振動加速度的增大，輸出電壓呈現線性增大的趨勢，在靠近諧振頻率處，斜率發生了突變，表明MFC在遠離諧振頻率的頻率范圍內具有良好的傳感性能。對圖10(c)中不同頻率下采集到的對應不同加速度的電壓輸出點進行線性擬合，得到的斜率即為該頻率下MFC懸臂梁的電壓靈敏度，從而可以得到MFC作為傳感元件的電壓靈敏度與頻率的關系，如圖10(d)所示。由圖可以看出，在5～190 Hz范圍內，MFC的靈敏度較穩定(為205 mV/g)。

圖10 MFC懸臂梁的傳感性能測試

4 結束語

本文制備了壓電纖維復合材料，并與懸臂梁結構相結合作為整體對其傳感性能做了系統表征。首先通過有限元仿真對MFC懸臂梁進行了模態分析，并研究了懸臂梁材料及尺寸參數對MFC電輸出性能的影響，確定了懸臂梁結構參數，在此基礎上對MFC懸臂梁進行了研制和測試。測試結果表明，懸臂梁材料為不銹鋼材料，尺寸參數為45 mm×10 mm×0.4 mm時，MFC實測輸出電壓最大為28.5 V，諧振頻率為212 Hz，且MFC的輸出電壓隨著振動頻率的增加呈先增大后減小趨勢，在諧振頻率時輸出電壓達到峰值，與仿真結果基本吻合。采用振動臺對MFC懸臂梁進行傳感性能測試。實驗結果發現，在低于諧振頻率處，MFC輸出電壓與振動臺在特定頻率下施加的加速度成正比，在5～190 Hz內，MFC的靈敏度達到205 mV/g。實驗證明，MFC懸臂梁在低頻段表現出良好的傳感性能。此研究為低頻領域的拓寬提供了參考。