基于電場(chǎng)分布的壓電纖維復(fù)合材料性能優(yōu)化

邵陽(yáng)市，馬培育，危 權(quán)，韓梓豪，周 靜，沈 杰，2

( 1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070; 2.納米礦物材料及應(yīng)用教育部工程研究中心，武漢 430074)

1 引 言

壓電纖維復(fù)合材料(Macro Fiber Composites, MFC)[1-4]是一種新型的壓電陶瓷復(fù)合材料，它由一維連通的壓電纖維和高分子聚合物復(fù)合而成，同時(shí)具有壓電陶瓷的壓電效應(yīng)和聚合物的柔韌性，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)控制[5-6]，驅(qū)動(dòng)傳感[7]等領(lǐng)域，近幾年來(lái)成為智能材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。聚合物相賦予了MFC出色的機(jī)械性能，但同時(shí)其與陶瓷相之間顯著的介電常數(shù)差異，以及兩相所形成的界面，導(dǎo)致極化加工和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中外電場(chǎng)加載于陶瓷相的有效強(qiáng)度減弱，且分布無(wú)法完全覆蓋存在“電場(chǎng)死區(qū)”[8]。該現(xiàn)象引起加工過(guò)程中陶瓷相無(wú)法充分極化，使役過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)不足且不均勻，嚴(yán)重影響了MFC性能。

為了提升MFC壓電纖維復(fù)合材料的性能，大多數(shù)研究者基于MFC的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化。謝焰等[9]通過(guò)改變MFC叉指電極間距，探討其對(duì)電輸出性能的影響：王曉宇等[10]采用有限元法分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓電纖維復(fù)合物驅(qū)動(dòng)應(yīng)變性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用高體積分?jǐn)?shù)的壓電陶瓷纖維、電極與纖維之間較小的聚合物層厚度均有利于提高智能壓電纖維復(fù)合物的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變性能。但這些研究均未考慮陶瓷相和聚合物相相互間的匹配性，并未從根本上解決組成相之間因介電常數(shù)差異導(dǎo)致的缺陷。一些研究者開(kāi)始嘗試分析聚合物介電常數(shù)對(duì)MFC性能的影響。劉永剛等[11]采用有限元法分析了電極區(qū)聚合物的介電常數(shù)對(duì)壓電纖維復(fù)合材料靜電場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)增加電極區(qū)聚合物的介電常數(shù)，壓電纖維復(fù)合材料靜電場(chǎng)可以得到顯著提高?？梢?jiàn)可以通過(guò)提高粘結(jié)層介電常數(shù)來(lái)優(yōu)化MFC性能。據(jù)報(bào)道，高介電常數(shù)的TiO2(介電常數(shù)約為114)與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合一方面可增大復(fù)合材料的介電常數(shù)，同時(shí)適量的TiO2粉末不會(huì)影響環(huán)氧樹(shù)脂的固化進(jìn)程，且可對(duì)其起到增強(qiáng)增韌的作用[12]。因此本文通過(guò)在粘結(jié)層環(huán)氧樹(shù)脂中添加TiO2微粒，以期提高粘結(jié)層介電常數(shù)，從而增大在極化和驅(qū)動(dòng)過(guò)程中加載于壓電陶瓷纖維的電場(chǎng)，最終達(dá)到提升MFC驅(qū)動(dòng)性能的目的。

2 理論計(jì)算

表1 MFC模型幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Geometric structure parameters of MFC model /μm

表2 模型中非壓電材料性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of non-piezoelectric materials in the model

表3 模型中壓電陶瓷性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of piezoelectric ceramics in the model

圖1 MFC電場(chǎng)分布3D仿真模型Fig.1 3D simulation results of MFC electric field distribution

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以前，先對(duì)MFC進(jìn)行模擬計(jì)算分析，以?xún)?yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。構(gòu)建如圖1是MFC單元模型，采用瑞典COMSOL公司開(kāi)發(fā)的COMSOL Multiphysics對(duì)MFC模型電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬。表1～3為模型結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料性能參數(shù)。

圖2是不同粘結(jié)層介電常數(shù)對(duì)壓電纖維內(nèi)部電場(chǎng)和表面電場(chǎng)的分布情況影響的模擬仿真結(jié)果。圖2(a)為纖維內(nèi)沿x軸方向的中心線(圖1線a)上的電場(chǎng)分布情況，可以看出隨著粘結(jié)層的相對(duì)介電常數(shù)的增大，纖維中的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，且分布更均勻，這說(shuō)明復(fù)合纖維層的分壓能力隨著其相對(duì)介電常數(shù)的增大而增大，從而可以提高在極化過(guò)程中加載到復(fù)合纖維層的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提升MFC的驅(qū)動(dòng)性能。圖2(b)展示的是沿x軸方向的上(下)表面(圖1線b)的電場(chǎng)分布情況，可以發(fā)現(xiàn)電極邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度均存在激增現(xiàn)象，而這種異常增大的局域電場(chǎng)強(qiáng)度隨著粘結(jié)層的相對(duì)介電常數(shù)的增大，可見(jiàn)隨著粘結(jié)層的介電常數(shù)增大，極化過(guò)程中復(fù)合材料擊穿風(fēng)險(xiǎn)也在增大。結(jié)果表明，對(duì)粘結(jié)層的介電常數(shù)應(yīng)適當(dāng)增大并控制在一定范圍內(nèi)，使其既能起到優(yōu)化MFC性能的目的又不至于導(dǎo)致?lián)舸?。圖中可以看出當(dāng)ε=10時(shí)電極邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了11 kV/mm。理論上，含水環(huán)氧樹(shù)脂體系的擊穿電壓在10～15 kV/mm，純環(huán)氧樹(shù)脂體系的擊穿電壓在15～20 kV/mm[13]。為了避免MFC被擊穿，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)將控制粘結(jié)層介電常數(shù)在8以下，并依此設(shè)計(jì)控制TiO2添加量。

圖2 粘結(jié)層介電常數(shù)對(duì)壓電纖維沿x軸方向MFC電場(chǎng)分布的影響 (a)纖維內(nèi);(b)纖維上/下表面Fig.2 Influence of dielectric constant of bonding layer on MFC electric field distribution (a)inside the fibre;(b) above/below the fibre surface

3 制備與測(cè)試

3.1 材料制備

本文中所使用的壓電陶瓷原料為山東淄博宇海電子陶瓷有限公司生產(chǎn)的PZT-5H壓電陶瓷粉，TiO2納米粉為杭州萬(wàn)景新材料有限公司生產(chǎn)的分析純粉末，環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠采用杭州五會(huì)港膠粘劑有限公司生產(chǎn)的E44 雙酚A型液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂和650-PU組成的AB膠材料，使用的增塑劑為阿拉丁公司生產(chǎn)的鄰苯二甲酸二異辛酯(DOP),表面改性劑為KH-561型硅烷偶聯(lián)劑。

通過(guò)傳統(tǒng)固相合成法制備了PZT壓電陶瓷塊，采用切割-填充法制備壓電纖維復(fù)合材料。具體工藝流程如下：采用金剛石直線切割機(jī)在陶瓷塊表面切出一定深度的凹槽，并將其浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5wt%的硅烷偶聯(lián)劑中1 h；以一定比例配制環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑，將其抽真空后注入陶瓷塊凹槽中并在真空中固化；用金剛石直線切割機(jī)將所得環(huán)氧樹(shù)脂填充的陶瓷塊加工成厚度為0.3 mm的復(fù)合纖維層。

采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)TiO2粉體進(jìn)行表面改性，以改善其在聚合物中的相容性和分散性[14]。在環(huán)氧樹(shù)脂膠中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、2%、4%、6%、8%和10%的TiO2顆粒，并對(duì)其進(jìn)行超聲分散和真空脫泡處理。在一定溫度和壓力下，分別用這六種材料作為粘結(jié)劑對(duì)交叉指形電極和復(fù)合纖維層進(jìn)行封裝，待其固化好后連接導(dǎo)線，置于硅油中極化，極化電壓和保壓時(shí)間分別為3 kV/mm和15 min，極化后的MFC放置24 h即可進(jìn)行性能測(cè)試。

3.2 材料結(jié)構(gòu)與性能表征

為研究TiO2對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的介電性能影響，制備了TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料樣品進(jìn)行介電測(cè)試。將TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、2%、4%、6%、8%和10%的TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在一定規(guī)格的圓片形模具中成形，鍍上電極。用交流阻抗分析儀 (HP4294A; Agilent Technologies,Santa Clara,USA) 測(cè)得其在1 kHz下的電容值，由關(guān)系式Cp=εS/4πkd計(jì)算其介電常數(shù)。

用金相顯微鏡(ECLIPSE LV150N, Nikon, CHINA)和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JEM-7500F，CHINA)對(duì)MFC斷面形貌進(jìn)行觀察,用Radiant 鐵電測(cè)試儀(Precision Workstation, Radiant Technologies Inc., America)測(cè)量MFC的電滯回線，并用配套的MTI 2000光纖微位移傳感器測(cè)試MFC的彎曲應(yīng)變。

4 結(jié)果與討論

4.1 TiO2摻雜對(duì)聚合物介電常數(shù)的影響

圖3 TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合物介電常數(shù)的影響Fig.3 Influence of TiO2 mass fraction on polymer dielectric constant

圖3是1 kHz下含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2的粘結(jié)層復(fù)合材料的介電常數(shù)。由圖可知，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增大到10%過(guò)程中，TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料介電常數(shù)值從4.76到6.22呈增大線性變化，復(fù)合材料介電常數(shù)未超過(guò)8，與設(shè)計(jì)相符可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需要。

4.2 壓電纖維復(fù)合材料形貌表征

圖4分別為壓電纖維復(fù)合材料中復(fù)合纖維層的表面(圖4a)和平行于纖維長(zhǎng)度方向的斷面(圖4b)。在圖4a中，呈長(zhǎng)條狀較暗區(qū)域?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂，其余部分為壓電纖維。從圖中能夠明顯分辨出壓電纖維、環(huán)氧樹(shù)脂和叉指電極，可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合纖維層中陶瓷纖維大約占據(jù)50%，叉指電極與環(huán)氧樹(shù)脂、壓電纖維結(jié)合緊密，未出現(xiàn)明顯的氣泡。在圖4b中，位于上、下的四塊明亮區(qū)域是叉指電極，上、下叉指電極之間的區(qū)域是壓電纖維，填充在電極與纖維、電極與電極之間的較暗區(qū)域是環(huán)氧樹(shù)脂。上、下電極呈對(duì)稱(chēng)分布，與纖維接觸緊密，保證了壓電纖維在極化時(shí)極化更充分。叉指電極與壓電纖維之間的環(huán)氧樹(shù)脂粘接層厚度很薄，確保直接作用在壓電纖維上的極化電場(chǎng)較大，可使壓電纖維中的電疇充分轉(zhuǎn)向，極化效果更好。

圖4 MFC顯微結(jié)構(gòu)圖(a)復(fù)合纖維層的表面(b)MFC斷面Fig.4 The microstructure of MFC (a)top view from the surface of composite fiber layer (b)side view from the cross section of MFC

圖5 粘結(jié)層的FESEM圖像(a)含2wt%TiO2;(b)含10wt%TiO2Fig.5 FESEM images of bond layer (a)containing 2wt%TiO2;(b)containing 10wt%TiO2

圖5為T(mén)iO2含量分別為2wt%(a)和10wt%(b)的復(fù)合材料粘結(jié)層斷面FESEM圖，其中高亮的白色細(xì)小顆粒為T(mén)iO2。在圖5a中，可以看出在TiO2含量較低時(shí)顆粒均勻地分散在環(huán)氧樹(shù)脂中，而高含量TiO2時(shí)，粘結(jié)層中出現(xiàn)團(tuán)聚(見(jiàn)圖5b中標(biāo)志處)。由于TiO2顆粒團(tuán)聚將導(dǎo)致缺陷和間隙，增大界面漏電流，TiO2含量過(guò)高可能對(duì)MFC的電學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

4.3 TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)MFC電場(chǎng)分布和驅(qū)動(dòng)性能的影響

將制備好的MFC樣品進(jìn)行鐵電響應(yīng)性能的測(cè)試，得到了其在1250 V下的電滯回線，如圖6(a)可以看出粘結(jié)層TiO2添加量不同其剩余矯頑場(chǎng)大致不變，而剩余極化強(qiáng)度隨著摻雜含量的增多呈現(xiàn)先增加后減小的整體趨勢(shì)，在其他電壓下的情況與1250 V下大致相同。同時(shí)，當(dāng)TiO2添加量達(dá)到10wt%時(shí)，電滯回線出現(xiàn)了明顯的低頭現(xiàn)象，說(shuō)明其在外加電場(chǎng)作用下的漏電流較大，會(huì)對(duì)極化電場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的加載產(chǎn)生不利影響。在5a,b中可以觀察到當(dāng)TiO2含量過(guò)高時(shí)TiO2顆粒出現(xiàn)較多的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚的TiO2顆粒會(huì)使得一定區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率增大，在環(huán)氧樹(shù)脂中形成導(dǎo)電通道，使漏電流增大。圖6(b)為是不同粘結(jié)層TiO2含量的MFC樣品剩余極化強(qiáng)度隨電壓變化的情況，可以看出所有樣品的剩余極化均隨極化電場(chǎng)增大而增大，整體上剩余極化強(qiáng)度隨TiO2含量增大在8wt%時(shí)達(dá)到最高然后降低，這與圖6(a)趨勢(shì)一致，同時(shí)可以看到隨著TiO2含量增大曲線斜率增大，MFC對(duì)極化電壓更敏感，同樣當(dāng)在TiO2含量8wt%時(shí)最為顯著，然后降低。該結(jié)果說(shuō)明是TiO2添加增大了粘結(jié)層介電常數(shù)，可有效改善MFC內(nèi)部分配的電場(chǎng)，增強(qiáng)極化效果，而當(dāng)TiO2含量過(guò)高時(shí)由于團(tuán)聚產(chǎn)生的漏電流又會(huì)對(duì)電場(chǎng)加載產(chǎn)生不利影響。

圖6 TiO2含量對(duì)MFC的鐵電性的影響(a)電滯回線;(b)剩余極化強(qiáng)度Fig.6 Influence of TiO2 content on the ferroelectricity of MFC (a)hysteresis loop;(b)residual polarization intensity

圖7 TiO2含量對(duì)MFC驅(qū)動(dòng)性能影響(a)纖維有效電場(chǎng)與MFC自由應(yīng)變的關(guān)系(b)最大位移與TiO2含量的關(guān)系Fig.7 Influence of TiO2 content on MFC driving performance (a)relation between fiber effective electric field and MFC free strain;(b)relation between maximum displacement and TiO2 content

通過(guò)對(duì)不同粘結(jié)層TiO2含量的MFC的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，得到0～625 V電壓下MFC自由應(yīng)變的變化趨勢(shì)，如圖7(a)。可知所有的纖維的應(yīng)變都是隨著外加電場(chǎng)的增大而增大，均在625 V處達(dá)到最大，然后回歸。上升時(shí)表現(xiàn)為較好的線性，撤去電場(chǎng)后，形變恢復(fù)表現(xiàn)出一定滯后現(xiàn)象。隨著粘結(jié)層中TiO2含量增加，MFC的自由應(yīng)變逐漸增大，在TiO2摻量為8wt%時(shí)達(dá)到最大值，而后在10wt%時(shí)略降低，最大位移與TiO2含量之間關(guān)系如圖7(b)所示。根據(jù)公式S=E·d可知，應(yīng)變S與電場(chǎng)E成正比，從模擬仿真和鐵電測(cè)試結(jié)果可知隨著粘結(jié)層中TiO2含量增加，一方面極化過(guò)程中加載于陶瓷纖維的有效電場(chǎng)增大，纖維d值增大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中加載于纖維的有效電場(chǎng)E也增大，因此MFC的驅(qū)動(dòng)性能隨粘結(jié)層中TiO2含量增大而提高。而當(dāng)TiO2含量超過(guò)8wt%時(shí)，一方面由于TiO2的團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致漏電流增大，影響極化和驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)加載，同時(shí)TiO2/環(huán)氧復(fù)合材料的剛度增大以及PZT纖維與TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂之間粘結(jié)能力的下降也會(huì)影響MFC的應(yīng)變能力，導(dǎo)致自由應(yīng)變的降低。

5 結(jié) 論

在模擬仿真結(jié)果指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)層復(fù)合材料，提高粘結(jié)層介電常數(shù)，調(diào)節(jié)MFC電場(chǎng)分配以?xún)?yōu)化MFC驅(qū)動(dòng)性能。模擬與實(shí)驗(yàn)記錄表明，TiO2的引入可增大粘結(jié)層介電常數(shù)，有效改善MFC的驅(qū)動(dòng)性能，但TiO2含量不宜過(guò)大，以免導(dǎo)致電極邊緣電場(chǎng)過(guò)高，產(chǎn)生團(tuán)聚增大漏電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)層中TiO2含量為8wt%，粘結(jié)層介電常數(shù)為5.24時(shí)，獲得的MFC驅(qū)動(dòng)性能最佳。