压电陶瓷

压电陶瓷是一种智能材料，它能将机械效应（如压力、运动或振动）转化为电信号，反之亦然。

发件人：综合材料加工，2014年

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压电换能器压电特性铁电特性电材料终端多层膜

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压电陶瓷的断裂

G、 A.施耐德著《材料百科全书：科学与技术》，2001年

锆钛酸铅（PZT）或钛酸钡（BaTiO3）等压电陶瓷是一种很有吸引力的传感器（如气囊传感器）或执行器（如亚微米定位系统）材料。其他发展是高位移和共烧多层驱动器，以及集成电路应用的薄膜和厚膜。对于高位移（>2微应变）和高电场（>1kvmm-1）下低机械和电循环疲劳的可靠装置的需求，要求对断裂力学有更深入的了解。此外，小型化导致压电陶瓷/电极界面和微观结构本身出现严重的断裂和疲劳问题。

压电复合材料滞回响应的细观力学模拟

林建红，木利亚娜，高分子基复合材料蠕变与疲劳（第二版），2019年

4.1简介

压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡（BaTiO3）等，已被广泛用作传感器和驱动器。最近，它们在能量收集装置中的应用也越来越受欢迎。它们固有的高机电耦合特性对驱动器应用很有吸引力，因为相对较小的电场输入足以驱动铁电陶瓷。然而，陶瓷的脆性限制了其应用范围仅限于小变形。在机电器件中，可能需要一些特性，如重量轻、机电耦合常数高、热膨胀率和电导率低、机械柔韧性和柔顺性等。为此，考虑了几种不同成分的电活性复合材料。Newnham等人。（1978）讨论了在开发活性复合材料时实现所需性能的关键特征，这些特征是根据成分的排列（连接性）而定制的。最常见和最实用的类型是具有活性压电陶瓷颗粒或长纤维形状的复合材料，分散在连续的软基体中，例如聚合物。这些复合材料分别称为0-3和1-3复合材料。Tressler等人讨论了0-3和1-3压电复合材料的例子。（1999）和巴布（2013）。

压电复合材料通常是通过将非极化压电陶瓷嵌入无源软基（如聚合物和金属）中来制备的。通过调整压电夹杂的空间浓度和几何尺寸，可以根据特定的器件要求对复合材料的材料性能进行微调。然后，具有压电粒子和聚合物基体的复合材料被极化，这可能是相当具有挑战性的，因为被动聚合物基体具有非常低的介电常数，并且通常陶瓷夹杂不会在复合材料上形成连续连接。Cui等人。（1996）讨论了这样一个事实：压电粒子复合材料的极化可以通过具有高粒子渗透性的复合材料来改善，和/或降低陶瓷和聚合物的介电常数比。一些实验研究表明，压电复合材料表现出比整体压电陶瓷更理想的性能：Smith（1986）、Safari（1994）和Bent and Hagood（1997）。Bent和Hagood（1997）研究表明，含单向PZT纤维的压电复合材料具有较高的机电耦合常数，同时具有良好的柔顺性。

压电复合材料的整体力学性能和行为受夹杂和基体的性质和行为、夹杂的形状、尺寸、排列等微观形貌以及夹杂的体积或重量含量的影响很大。压电陶瓷的响应还取决于压电陶瓷所受的加载条件。极化压电陶瓷在相对较小的电场输入下，其应力应变和磁通量均呈线性响应。然而，相对较大的电场输入，即使低于矫顽电场极限，也会导致非线性机电响应；例如，见Crawley和Anderson（1990）和Park等人。（1998年）。在这种情况下，由IEEE（1987）标准化的线性压电不再适用于描述不再适用于描述压电陶瓷的机电行为。实验证据（Schäufele and Härdtl，1996；Fett and Thun，1998；Hall，2001；Zhou and Kamlah，2006）表明极化压电陶瓷的电响应和机械响应是时间依赖的。当压电陶瓷在振幅小于矫顽电场极限的循环电场作用下，表现出滞回应变和磁通响应，通常被称为小回路滞回响应。小回路滞回响应与频率有关，因此压电复合材料也表现出与频率有关的滞回特性；见Khan等人。（2016年）。当考虑高振幅、高于矫顽电场极限的循环电场时，压电陶瓷发生极化开关，形成一个主要的磁滞回线；例如，参见Cao和Evans（1993）、Fang和Li（1999）、Lente和Eiras（2002）、Ren（2004）和Li等人。（2005年）。极化开关响应也与时间有关。此外，聚合物基体表现出粘弹性响应，最终影响压电复合材料的滞回响应（Muliana，2010）。只有有限的实验测试可用于PZT纤维进行极化开关的压电复合材料（Jayendiran和Arockiarajan，2012，2013）。

为了评价压电复合材料在不同加载历史下的整体性能和响应，建立了压电复合材料的细观力学模型。考虑了线性和非线性响应，包括对压电复合材料滞回响应的有限研究。压电复合材料的微观力学模型的例子有Newnham等人。（1980年）、班诺（1983年）、史密斯和奥德（1991年）、哈古德和本特（1993年）、南和金（1993年）、邓恩和塔亚（1993年）、阿布迪（1998年）、奥德加德（2004年）、谭和童（2001年）、李和邓恩（2001年）、江和巴特拉（2001年）、林和木利亚纳（2013年、2014a）。值得注意的是，这些研究中使用的压电本构模型仅限于极化状态下的压电现象，没有极化开关。只有有限的微观力学模型可用于描述极化开关引起的压电复合材料滞回响应，例如Aboudi（2005），Muliana（2010），Jayendiran和Arockiarajan（2012，2013）。他们的方法只考虑铁电组分的率无关滞回本构关系。最近，Lin和Muliana扩展了颗粒和纤维增强压电复合材料的微观力学模型，以包括压电夹杂的时变极化开关行为（见Lin和Muliana，2014b，2016）。在模型中，还研究了粘弹性聚合物基体对复合材料整体机电响应的影响。在先前的细观力学模型中，在建立压电复合材料的均匀（有效）机电响应时，考虑了简化的微结构特性。例如，Dunn和Taya（1993）考虑了基于Mori-Tanaka模型的微观结构特征，其中单个包裹体嵌入有效（均匀化）基质介质中，而Aboudi（2005）考虑了包含多个包裹体和基质子细胞的单位细胞模型。具有简化微观结构特征的模型的一个主要优点是，它允许为成分加入严格的非线性本构模型，同时具有计算效率，并具有预测复合材料整体响应的范围。然而，这种微观力学模型仅限于捕捉场变量（应力、应变、电流、电场、位移、电势）的变化，包括场变量的局部和/或不连续性对复合材料整体响应的影响。另一种类型的微观力学模型考虑了更详细的微观形貌，如夹杂物的分布、大小和形状、可能存在的孔洞、电极的放置等。（2003），Tajeddini等人。（2014）和Ben Atitallah等人。（2016年）。这些微观力学模型在捕捉场变量的变化（包括场变量的局部和/或不连续性）方面具有优势。

在本章中，我们提出了纤维和颗粒增强复合材料（PRCs）的细观力学模型，以分别获得1–3和0–3压电复合材料的有效滞回响应。1-3和0-3复合材料分别称为纤维增强复合材料（FRC）和PRC。微观力学模型是基于具有多个子单元的简化单元单元模型制定的（见图4.1）。阿菲