压电-压磁弹性复合材料的研究
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摘要： 本文主要简介了压电复合材料的基本概念、结构与性能关系，加工工艺，对压电复合材料的发展、现状进行概述。并介绍了压电压磁弹性复合材料的研究现状。复合材料是20世纪70年展起来的一种多功能复合材料，它对我国电力市场发展具有十分重要的意义。
Abstract: Composite materials are a kind of multi-functional materials,which is developed in the 1970s. In this paper, the current development of piezoelectric composite materials are discussed by introducing the basic concept of the piezoelectric composite materials, the relationship between structure and properties, processing technology and the research status on piezoelectric/piezomagnetic materials.
关键词： 压电材料；压电复合材料；压电压磁弹性复合材料
Key words: piezoelectric material；piezoelectric composite materials；piezoelectric/piezomagnetic material
中图分类号：Ｏ632 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）11-0307-02
0 引言
压电陶瓷作为一种压电材料，应用于电子、传感、变压、水声换能、超声、电光等诸多领域。其发展十分迅速，至今已研制出许多性能优异的材料，然而单相材料在某些应用领域具有难以克服的缺点，人们试图寻找新的解决途径，从而使压电复合材料作为一类新的压电材料得到较快的发展。如它能克服传统材料脆性大，受大的冲击易碎的特点，避免在水声换能材料上，压电陶瓷的密度大、与水声匹配不良等问题。近几年，由于含有压电相和压磁相的复合材料在先进材料系统中迅速发展，已引起人们的广泛关注。压电复合材料已在水听器、生物医学成像等方面被作为换能器使用，还常常在传感器、无损检测方面有飞速进步。压电压磁复合材料具有大的磁电系数、静电和磁场的耦合系数。压电压磁复合材料所独有的磁-电机械能的相互转换功能已广泛用于电子封装、传感器和作动器中，如：磁场探测器、声学与超声装置、声纳等设备中。
1 压电复合材料的进展
1972年，日本的北山-中村试制了PVDF-BaTiO3的柔性复合材料，开创了压电复合材料的历史。70年代中后期，美国宾州大学材料实验室将具有强压电效应的陶瓷与柔性聚合物按一定的连通方式、以一定的体积或质量比例及一定的空间几何分布制成的复合材料既具有较强压电性，又具有良好的综合性能，研制了1-3型压电复合材料，并开始研究压电复合材料在水声中的应用。80年代初以后，美国加州斯坦福大学的BAAuld，YWang等人建立了PZT柱周期排列的1-3型压电复合材料的理论模型、并分析了其中的横向结构模。与此同时，以及随后几年，许多国家也相继开展了压电复合材料的研究，如澳大利亚、日本等，一些研究工作者还利用压电复合材料制作了换能器。
从20世纪80年代开始，国内进行大量压电复合材料的研究。中科院声学所的耿学仓等制作了用于无损检测水浸探伤和岩性测量的纵波横波换能器，并研制出了l-3型和2-2型复合材料，北京大学的栾桂冬等用1-3型复合材料制作了水听器，南京大学的水永安等参与制作了l-3型复合材料的理论研究工作，中科院声学所的庄永缪等研制出用于制作宽带换能器的3-3型复合材料，压电复合材料的出现也引起了国内一些研究机构的关注。
由于柔性聚合物相的加入，复合材料的优值和机电耦合系数却提高了，压电复合材料的密度、声阻抗、介电常数都降低了，这使压电复合材料能在水听器、生物医学成像、无损检测、传感器等诸多方面被广泛地用作换能器。人们对压电、热电复合材料的构型进行了系统的分类，并提出了复合材料的连通性概念，它是基于压电复合材料的迅速发展的基础之上提出来的。以两相复合体系为例，按各相的连通性分为:0-0、1-0、2-0、3-0、1-1、2-1、3-1、2-2、3-2、3-3、等十大类型，其中0、1、2、3分别表示其中一相在复合材料中的空间连通维数。除了具有压电复合材料的共同特点，0-3型压电复合材料还具有易于制成各种形态，可制成弹性体而适应弯曲状态下使用等优点，易于制造，适于大量生产，如薄片、挤出成柱状和纤维状以及可浇铸成型等，但是由于其缺乏所需的应力集中因素，故某些特性如d33、dh及gh・dh不如其它型的压电复合材料大。0-3型聚合物基压电复合材料系指具有压电活性的粉末分散于三维连续的聚合物基体中形成的复合材料。目前，各国研究人员正采用不同材料及工艺，使d33、dh及gh、gh・dh在不同程度上得到了提高，致力于提高0-3型聚合物基压电复合材料的敏感性，某些参数已超过了压电陶瓷（如PZT）。
1-3型压电复合材料是一种两相压电复合材料。它主要由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成。当前，压电复合材料有如下发展趋势：开发压电器件、深入理论研究、改进成型工艺、开发连接类型。由于它在某种程度上克服了纯压电陶瓷在强度、脆性方面的缺陷，同时大大增大了其在纵向的耦合系数.因此成为目前研究最多、最深入、应用最广泛的一种压电复合材料。
2 压电压磁弹性复合材料的研究进展
1972年，Van Suchtelen提出了压电和压磁材料的结合可以导致出现新的材料特性即磁电耦合效应，此后许多研究者分析了BaTiO3-CoFe2O4复合材料的磁电耦合特性。为获得大的磁电效应，必须选择单相效应大的压电相与压磁相，即选用磁致伸缩效应大的和压电系数大的材料。目前常选用的压电相材料有BaTiO3和PZT系，压磁相材料有CoFe2O4、Ni（Co，Mn）Fe2O4等铁氧体及TbDyFe2（Terfenol-D）等材料。
压电压磁复合材料是由压电相和压磁相经一定方法复合而成，具有磁电转换功能的新材料，其磁电转换功能是通过压电相与压磁相的乘积效应实现的这种效应即磁电效应。表征磁电效应的物理量是磁电转换系数dE/dH。复合材料的磁电效应是两单相特性dS/dH与dE/dS的乘积效应的体现。可表示为：
dE/dH=k1k2・x（1-x）・dS/dH・dE/dS
式中dS/dH为压磁相的磁致伸缩效应，dE/dS为压电相的压电效应，x为压磁相的体积分数，（1-x）为压电相的体积分数，k1、k2是由两相材料的相互稀释引起的各相特性的减弱系数。由此可以看出，为了得到较高的磁电效应除了选择单相效应大的压电相与压磁相材料外，还应该选择合适的材料体积比。
由于在压电压磁复合材料制备过程中会存在一些缺陷，如裂纹、空洞、气泡会使材料的致密度下降。同时缺陷所引起的尖端应力集中效应和尖端电荷集中效应会使材料的机械性能和电学、磁学性能下降，从而材料在使用过程中失效。所以，对压电压磁复合材料的磁-电-弹性之间的相互作用及其断裂特性研究是重要的。而改善缺陷的影响，则有赖于制备工艺的进一步提高。
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