PZT-5H基压电纤维复合材料低频传感性能研究

李加红，周 静，沈 杰，田 晶，周晶晶

(1. 武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2. 武汉理工大学 三亚科教创新园，海南 三亚 572019)

0 引言

地震勘探是矿产资源开采、工程安全实验和地质危害管理中最可靠、最常用的技术[1]。振动传感器用于获取地震波信号，是地震勘探系统的最前端仪器，其直接决定采集数据的质量。在地震勘探过程中，随着探测深度的增加，传回地面的地震反射波主要以低频为主，且振幅相对较小。因此，深层地震勘探需要具有高灵敏度和低谐振频率的传感器。目前常用于地震勘探的传感器包括动圈式传感器[2]、压电式传感器[3]、光纤式传感器[4]及微机电系统(MEMS)式传感器[5]等。其中，传统的动圈式传感器在地震勘探技术上虽较成熟，但受自身机械特性的限制，其灵敏度低，固有频率高，难以满足深部地震勘探的低频要求；光纤式传感器及MEMS传感器由于高成本和适用性等问题，无法大规模应用。压电传感器灵敏度高，频带宽，动态范围大，实用性强，且成本适中，被广泛应用于地震勘探领域。

压电传感器[6]是利用压电材料的压电效应获取地震信号的振动传感器。现有的压电传感器使用压电陶瓷作为敏感元件，反复受力变形时会出现裂纹，影响到传感器的寿命与可靠性，且受结构形式与物性限制，低频截止频率约为10 Hz。压电纤维复合材料(MFC)是由压电相和聚合物相按照一定的连通性组成[7]，既克服了压电陶瓷材料脆性大和柔韧性差等不足，又具有很高的压电常数，且其单向性能突出和可设计性强等特点，被广泛应用于传感[8]、振动控制[9]、驱动[10]、结构健康监测[11]和能量采集[12]等领域，是目前最理想的智能材料之一。

MFC作为传感元件一般装配于弹性基板上使用，根据使用方式的不同，MFC与基板的装配方式可分为悬臂梁式、周边固支、周边简支和简支梁式4种[13]。在相同外部载荷下，与其他3种结构相比，悬臂梁式能产生更大的变形和应变，具有更低的谐振频率[14]，且对低频段的振动更灵敏。因此，基于MFC高压电性、柔韧性的特点与悬臂梁的低频适用性，本文提出MFC悬臂梁结构，通过合理地设计悬臂梁结构参数，实现了低频高灵敏的性能特点，为MFC悬臂梁结构应用于低频传感领域提供了研究参考。

1 MFC制备与测试方法

1.1 MFC制备

MFC是由压电复合层、叉指电极及聚酰亚胺封装膜复合而成的一种压电复合材料，其复合结构如图1(a)所示，本文选取课题组制备的高压电性、高机电耦合系数、低损耗的PZT-5H压电陶瓷作为MFC中压电相材料，压电陶瓷的材料性能参数如表1所示。表中，d33为压电常数，ρ为密度，kp为机电耦合系数，εr为介电常数，tanδ为介电损耗。

图1 MFC示意图

表1 PZT-5H材料参数

本文采用切割-填充法制备MFC，首先将一定尺寸的矩形陶瓷块(40 mm×6 mm×10 mm)沿长度方向进行开槽，得到压电纤维宽度与间距一致,且为0.35 mm的压电纤维阵列；然后将配成的环氧树脂粘结剂浇筑到压电纤维阵列中，并置于30 ℃真空干燥箱中抽真空固化，得到环氧树脂填充的压电纤维阵列；再沿已固化的压电纤维阵列宽度方向进行横向切割，得到厚度为0.35 mm的压电复合层；最后将叉指电极与压电复合层通过高分子聚合物(环氧树脂)基体封装成一个整体，获得压电纤维复合材料如图1(b)所示。

1.2 测试方法

采用金相显微镜(日本Nikon公司，Eclipse Lv150n)观察MFC中纤维与聚合物间及压电复合纤维层与叉指电极间的界面结合状态。采用铁电工作站(美国Radiant公司)测量MFC的铁电响应行为。采用高压发生器(美国Trek公司，Model 609A)为电滞回线的测试提供高压驱动。

采用自行搭建的测试平台进行传感性能测试，MFC的传感性能一般通过采集其两端的输出电压来表征。图2为悬臂梁振动测试平台。将MFC固定在悬臂梁上，悬臂梁的顶端固定在振动台上，另一端自由，样品通过导线连接数字万用表(吉时利，DMM7510)，在传感测试平台上通过电动振动台(苏州苏试公司，DC-1000-15)提供不同加速度和频率来驱动悬臂梁，通过软件程序控制参数确保在频率测试范围内所提供的加速度是恒定的。测试不同加速度和频率下MFC的输出电压信号，进而表征MFC对加速度传感性能。

图2 MFC传感装置示意图

2 有限元仿真与悬臂梁结构设计

2.1 MFC悬臂梁模型建立

本文采用COMSOL Multiphysic多物理场有限元仿真软件建立MFC悬臂梁结构模型，如图3(a)所示。MFC悬臂梁结构由压电纤维复合材料、悬臂梁基板组成，其中悬臂梁一端固定，在其自由端沿z方向施加体载荷。MFC悬臂梁应力分布如图3(b)所示。由图3(b)可看出，MFC悬臂梁的一阶振动模态为弯曲振动，且越靠近固定端,应力越大，从固定端到自由端应力逐渐变小，故将MFC粘贴在悬臂梁的根部，由此获得最大的灵敏度。

图3 仿真模型示意图

2.2 悬臂梁材料对MFC电输出性能的影响

在振动源激励下，悬臂梁受到应力并产生弯曲形变，振动信号将转变成同频同振幅的力信号传递给悬臂梁上的MFC，MFC作为力-电转换的元件，将感知到的力信号转换成同频电信号，最终由于力的传递，使敏感元件MFC输出与振动激励同频正相关的电信号。本文选择4种不同材料的悬臂梁基板，以探究不同基板材料对MFC电输出性能的影响。

分别选取不锈钢、铝、黄铜、碳纤维4种典型的材料，仿真模拟中给予压电复合悬臂梁沿z轴方向且加速度为1g(g=9.8 m/s2)的动态载荷，分析悬臂梁材料对MFC悬臂梁传感器性能的影响。图4为在1g加速度动态载荷条件下，不同悬臂梁材料的MFC输出电压随频率变化的曲线。由图可看出，MFC的输出电压在谐振频率时达到峰值。在相同条件下，谐振频率为196 Hz时不锈钢基板的MFC输出电压最大(为36.4 V)。在谐振频率为204 Hz和180 Hz处，铝和黄铜基板MFC输出电压分别为30.2 V和32.9 V。在谐振频率为164 Hz时，碳纤维基板MFC输出电压最低(为8.9 V)。考虑到基板材料对MFC输出电压的影响，本文选用不锈钢作为悬臂梁的材料，同时其腐蚀性、耐热性和弹性稳定性均较好。

图4 不同基板材料对MFC输出性能的影响

2.3 悬臂梁尺寸参数对MFC输出性能的影响

MFC的输出电压与悬臂梁厚度有关，为了分析悬臂梁厚度对MFC输出电压的影响规律，设置MFC的尺寸参数不变，通过改变悬臂梁厚度，仿真求解得到MFC输出电压与悬臂梁厚度间的变化关系，如图5所示。由图可看出，悬臂梁厚度过大或过小均会导致MFC输出电压过低，当悬臂梁厚度为0.4 mm时，MFC的输出电压达最大值(为37.2 V)。这是由于悬臂梁厚度过小，结构强度受到影响，同时影响MFC应力的有效传递；悬臂梁厚度过大将会导致结构弯曲刚度较大，从而引起悬臂梁形变量减少。因此，合理的选择悬臂梁厚度，可保证MFC使役过程中应力的有效传递，进而增大MFC的输出电压。本文采用厚0.4 mm的悬臂梁。

图5 悬臂梁厚度对MFC输出性能的影响

为了分析悬臂梁宽度对其产生电压的影响规律，仿真求解得到MFC输出电压与宽度间的变化关系如图6所示。由图可看出，在一定范围内，MFC输出电压随其宽度的增大而减小。这是由于MFC作为传感器件的一部分，其有效面积固定(40 mm×6 mm)，输入的动能不变，随着基板宽度的增加，其负载质量逐渐增加，动能转换成电能的效率变低，导致MFC上产生的电荷量变小，其输出电压逐渐变小。因此，本文采用宽度10 mm的悬臂梁。

图6 悬臂梁宽度对MFC输出性能的影响

图7为悬臂梁长度对MFC输出电压和谐振频率的影响。由图可看出，当悬臂梁长度为45 mm时，MFC输出电压最大(为37.6 V)。随着悬臂梁长度的增加，谐振频率逐渐降低。悬臂梁长度是影响谐振频率最重要的因素。为了避免谐振频率过低，带宽过窄，悬臂梁长度不应过长。综合考虑谐振频率与输出电压的影响，本文选取MFC的长度为45 mm。

图7 悬臂梁长度对MFC输出性能的影响

3 测试与讨论

3.1 MFC结构表征

MFC的封装是将叉指电极与压电复合层通过高分子聚合物基体封装成一个整体，封装结果决定MFC的极化程度和性能表现。封装过程中如果叉指电极和复合材料界面间、压电陶瓷和聚合物界面间尺寸不均或存在缺陷，将使界面处空间电荷聚集，存在介电击穿等危险。本文封装采用热压工艺，在真空中严格控制温度和压力，保证MFC制备工艺的一致性和性能稳定性。

图8(a)为压电纤维复合层的纤维结构图。由图可看出，在压电纤维复合层中，环氧树脂与压电纤维间连结紧密，可以很好地传递应力。同时，压电纤维的宽度与间距控制得很好。图8(b)为MFC的断面显微结构图。由图可看出，压电纤维、环氧树脂和叉指电极间粘结紧密，无明显缺陷，上下电极对应状态良好，且叉指电极与压电纤维间的环氧粘结层非常薄，接触良好。

图8 MFC结构分析

3.2 MFC铁电性能

压电陶瓷属于铁电体，其自发极化强度P将因为外加电场E的引入而转向，在未极化前，压电陶瓷内部偶极子各方向上的矢量和为0。因此，压电纤维复合材料工作前必须进行极化。为了探明MFC的极化特性，本文研究了未极化的MFC样品处于不同驱动电压条件下的电滞回线(P-E曲线)。

图9为不同电压幅值下MFC的P-E曲线，驱动电压频率为1 Hz。由图可看出，MFC的剩余极化强度随外加电压的增加而升高，当外加电场强度较低时，MFC的P-E曲线不明显，剩余极化强度较小；当施加1 500 V高外加电场时，根据可逆电畴翻转机制，电畴转向后，无法靠自身内在恢复力回到初始状态，所以剩余极化强度大，P-E曲线更饱和。

图9 不同电压下MFC的电滞回线

通过提高外加电场强度可有效地提高压电纤维复合材料的极化强度，充分发挥材料的性能。本文中压电纤维复合材料的极化条件初步确定为常温下1 500 V直流电压，保压时间为15 min。

3.3 MFC的传感性能

根据有限元仿真提出的设计，采用不锈钢材料制备了45 mm×10 mm×0.4 mm的悬臂梁，并将其与MFC装配进行传感性能的测试。

通过振动台提供振动加速度g，给MFC悬臂梁加速度分别为1g、1.5g、2g、2.5g、3g的动态载荷，利用数字万用表记录MFC的输出电压信号。图10(a)为1g载荷下MFC频率响应的实测和仿真数据对比。由图可以看出，MFC的输出电压随着激励频率的增加而先增加后减小，在谐振频率时达到峰值。相同结构参数下，实测MFC在谐振频率为212 Hz时，输出电压最大为28.5 V；而仿真中MFC输出电压最大为36.2 V，谐振频率为216 Hz。实测与仿真数据存在一定误差，这是由于仿真中边界条件的设置比实验完美，忽略了实验中其他影响因素，如MFC与悬臂梁间的粘结层对力传递的影响造成电输出性能的降低[15]等因素。如图10(b)所示，随着振动加速度的增大，MFC的输出电压也逐渐增大，当振动加速度为3g时，输出电压最大为85 V。当振动频率在谐振频率附近时，输出电压突然增加，使MFC作为传感元件在靠近谐振频率范围内稳定性较差。图10(c)为不同振动加速度及频率下输出电压。由图可以看出，随着振动加速度的增大，输出电压呈现线性增大的趋势，在靠近谐振频率处，斜率发生了突变，表明MFC在远离谐振频率的频率范围内具有良好的传感性能。对图10(c)中不同频率下采集到的对应不同加速度的电压输出点进行线性拟合，得到的斜率即为该频率下MFC悬臂梁的电压灵敏度，从而可以得到MFC作为传感元件的电压灵敏度与频率的关系，如图10(d)所示。由图可以看出，在5～190 Hz范围内，MFC的灵敏度较稳定(为205 mV/g)。

图10 MFC悬臂梁的传感性能测试

4 结束语

本文制备了压电纤维复合材料，并与悬臂梁结构相结合作为整体对其传感性能做了系统表征。首先通过有限元仿真对MFC悬臂梁进行了模态分析，并研究了悬臂梁材料及尺寸参数对MFC电输出性能的影响，确定了悬臂梁结构参数，在此基础上对MFC悬臂梁进行了研制和测试。测试结果表明，悬臂梁材料为不锈钢材料，尺寸参数为45 mm×10 mm×0.4 mm时，MFC实测输出电压最大为28.5 V，谐振频率为212 Hz，且MFC的输出电压随着振动频率的增加呈先增大后减小趋势，在谐振频率时输出电压达到峰值，与仿真结果基本吻合。采用振动台对MFC悬臂梁进行传感性能测试。实验结果发现，在低于谐振频率处，MFC输出电压与振动台在特定频率下施加的加速度成正比，在5～190 Hz内，MFC的灵敏度达到205 mV/g。实验证明，MFC悬臂梁在低频段表现出良好的传感性能。此研究为低频领域的拓宽提供了参考。