[分享]用于振动噪声主动控制的智能结构中的新型压电材料

todd

智能结构是将探测元件、驱动元件和微处理控制系统与基体材料相融合，形成具有识别、分析、判断、动作等功能的一种结构。它主要是基于新材料技术和微机电技术发展起来的。智能结构不仅能够承受载荷，还能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等作出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。因此，智能结构具有广阔的军事应用前景，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。
任何一个工程结构受到动态激励或干扰时,都会产生响应,表现为结构的振动和噪声。智能材料与结构的出现使人们对材料和结构的固有特性有了新的认识。在智能结构中,传感元件对结构的振动进行监测,驱动元件在微电子系统控制下准确动作,以改变结构的振动状态。这样就出现了具有振动和噪声主动控制功能的智能结构。在航空、航天系统中采用智能结构可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。美国防高级研究计划局正在资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，可改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。智能结构用于舰艇，可抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。
压电式主动减振降噪智能结构的基本原理是主动电致阻尼。它利用压电元件重量轻、频响宽、安装和控制方便,既能作为传感器,又能作为驱动器的特点,将压电元件用于梁、板、筒体和薄壁结构的振动和噪声控制，可以有效减小和抑制振动和噪声。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要是由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成的。.压电陶瓷具有响应快、能量密度高等特点，已在精密机械、扬声器、减震降噪等领域得到了广泛的应用。尤其是在智能结构中，其作用不可替代。但传统的PZT压电陶瓷却存在着明显的不足，由于驱动应变太小，较难满足实际工程应用的需要。开发新型的压电材料应用于智能结构，优化智能结构性能，成为智能结构研究中的热点。

目前与军事有关的压电材料研究体系主要集中在以下四个体系：
（1）        弛豫型铁电压电单晶
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT)和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 -PbTiO3 (PZN-PT)等是最近几年发展起来的弛豫型铁电压电单晶材料。这类单晶具有优异的介电性能和压电性能，室温介电常数达到5000，压电系数d33可达25003000pC/N，机电耦合系数>90%，最大应变量12%。该晶体是目前发现的压电系数和应变量最大的材料。弛豫型铁电压电单晶的压电系数是钛酸钡（BT）陶瓷的1015倍，是PZT陶瓷的56倍。它的电致应变量比BT和PZT分别高出了两个和一个数量级。它的机电耦合系数大于90%，比BT陶瓷（机电耦合系数约50%）和PZT陶瓷（机电耦合系数约60%）有大幅度的提高。
1997年美国著名杂志《科学》称“弛豫型压电单晶材料的问世是50年来压电材料一次激动人心的重大突破”。美国军方立即意识到它的军用价值和军用前景，在美国海军研究办公室（ONR）和美国国防尖端研究项目署（DARPA）的推动下，有关弛豫型压电单晶材料的制备、性能和民用尤其是军用研究在世界范围内兴起一个热潮，1998年美国军方第一期就投入了三千万美元资助美国和加拿大的一些大学、研究机构和公司开展大尺寸弛豫型压电单晶体材料的生长、测试和应用研究，为期三年。为了有利于研制和尽快应用这种晶体材料，军方资助了几家单位生长晶体材料，现已生长出直径达75mm的PMN-PT和PZN-PT等单晶，同时资助几所大学测试晶体材料的性能，以获得准确可靠的实验数据，然后又资助一些公司设计武器装备所需用的器件，例如：用于军用飞机智能结构的传感器及驱动器和声纳的水声换能器，第一期研制工作已经结束。2002年第二期投入四千万美元，以尽快促进这种材料在武器装备应用。

    以上表明，弛豫型铁电压电单晶PMNT、PZNT 在军用和民用系统的主动减震降噪方面的作用已被人们所认识，那么在舰艇振动主动控制中也必将发挥出其优势。而在弛豫铁电单晶的制备技术方面，人们的研究已取得了突破性的进展。   

(2) 高相变温度单晶材料
由于PMN-PT、PZN-PT单晶居里温度偏低，限制了在一些场合的应用。探索具有优异压电性能且居里温度高的压电单晶材料成为材料研究工作者面临的问题。Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3 (PYN-PT)单晶为高相变温度的材料，相变温度在300400oC范围内。其矫顽场（Ec）为10-15kV/cm，是PMN-PT和PZN-PT单晶的5倍。2001年美国宾州州立大学的Zhang和Shrout等美国海军研究办公室（ONR）和美国国防尖端研究项目署（DARPA）的资助下，采用传统的高温熔剂法生长出了PYNT60/40的单晶，其居里温度270℃，三方相向四方相转变温度约168℃。[001]方向的d33 1200pC/N，k3388%,d31-500pC/N, k3176%，d151700 pC/N, k1588%。机电耦合系数直到160℃基本保持不变。同PMN-PT和PZN-PT单晶相比，机电耦合系数的温度稳定性有很大改善。
BiScO3-PbTiO3是又一种具有高相变温度的压电材料。最近的文献报道，美国宾州州立大学的Zhang和Shrout等美国海军研究办公室（ONR）和美国国防尖端研究项目署（DARPA）的资助下，采用Pb3O4和Bi2O3为助熔剂成功地生长出了BiScO3-PbTiO3单晶。其中0.34BiScO3 -0.66PbTiO3 （BSPT34/66）单晶，其居里温度约460℃，[001]方向的d33约200pC/N，k33约73%。0.43BiScO3-0.57PbTiO3 （BSPT43/57）单晶，其居里温度约402℃，三方相向四方相转变温度Tr-t约350℃。[001]方向的压电系数d331150pC/N，d31-520pC/N, d15330pC/N，机电耦合系数k3390%，k3152%，k1559%，kt56%。这一单晶材料已经具有了与PMN-PT和PZN-PT单晶可比的优异的压电性能，并且表现出更好的高温稳定性。

（3）        新型压电陶瓷BiMeO3-PbTiO3
美国宾州州立大学在ONR和DARPA的资助下，率先开展了新型压电陶瓷BiMeO3-PbTiO3 的研究。BiMeO3-PbTiO3 (Me: Sc3+, Fe3+, In3+, Yb3+, Ga3+等)为钙钛矿结构，具有优异的高温性能。目前研究的体系有BiScO3-PbTiO3，Bi(Ga,Sc)O3-PbTiO3，(Bi,La)(Ga,Fe)O3-PbTiO3等，其中以BiScO3-PbTiO3的材料体系的性能最优。(1-x)BiScO3-xPbTiO3陶瓷材料准同型相界组成在x=0.64附近，其居里温度高达约450oC，比PZT陶瓷的居里温度提高了约100oC。室温压电常数d33为460pC/N，平面机电耦合系数Kp为56%，介电常数约2000。这类压电陶瓷与PZT压电陶瓷相比，铅含量降低，性能上可与PZT陶瓷相媲美，是一类很有竞争力的压电材料。

（4）1-3型压电复合材料
1-3型PZT压电纤维复合材料是将压电纤维与聚合物复合在一起的材料。这类材料具有低声阻抗，低介电常数，直接驱动性，一定的柔韧性和坚固性，容易制备大面积1-3型PZT压电纤维复合材料，适宜于在大面积且形状复杂的构件中使用。室温压电常数d33为150pC/N，介电常数约495。

[ 本帖最后由 cdwxg 于 2006-9-14 17:48 编辑 ]

cao

本人以为压电材料本身方面的研究，目前主要解决：
１）改善位移特性，非线性特性方面！
２）提高机电耦合系数！提高效率！
３）解决实际使用中的问题等．

如果将压电材料用于振动控制，目前研究很多！大多是称之为压电智能结构作为作动器，其中有一个方向，就是自感知型压电作动器！
大家来交流交流！

liuzhenjun

楼主知道国内的进展情况吗?

huangyong

同济大学与一汽大众做过这方面的研究。