柔性活性纤维复合材料机电性能的温度和时间相关性外文翻译资料

 2022-07-10 07:07

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柔性活性纤维复合材料机电性能的温度和时间相关性

H Ben Atitallah ,Z Ounaies and A Muliana

摘要：活性纤维复合材料（AFCs）由嵌入聚合物基体中的压电纤维组成。 AFCs使用能产生平行于纤维方向的电场线的叉指电极，从而得到较大的d33压电系数。 AFCs的聚合物体积含量一般超过50％;因为聚合物受其粘弹性影响，尤其是在高温下，所以有必要了解AFCs在不同加载速率下的热电-机械性能。在该研究中，在不同的等温温度（25 ℃，50 ℃和75 ℃）和不同的加载速率下测量AFCs的机械、电学和机电性能。AFCs的所有性能的测量都是沿纤维方向进行的。该研究发现在较高温度下，所有应变率下的模量和拉伸强度均下降，并且失效时的应变增加。剩余极化随着频率的降低和温度的升高而增加;然而，矫顽场随温度下降但不受频率的影响。由于环氧树脂的粘弹性特性，在较高温度和较低频率下压电系数d33增加。还有研究指出，该系数取决于电场的大小。

关键词：压电复合材料，机电性能，力学性能，电性能，温度效应

  1. 引言

由于机械和电学行为之间的耦合，电活性材料具有超出其结构效用的功能。这些材料的开发及其与主结构的结合降低了重量、成本和功耗，并提高了效率和安全性[1]。电活性材料中有一种使用比较广泛的材料PZT（一种压电陶瓷），可以将机械能转化为电能，反之亦然，所以其可用于驱动器、传感器或能量收集器。由于压电陶瓷的脆性，其在尺寸和形状方面受到限制，因此研究人员努力想出能够引入柔韧性和耐用性的器件配置。 Bent和Hagood开发了一种PZT和聚合物复合的材料，称为压电纤维复合材料或活性纤维复合材料，这种材料利用了各组成的最佳性能。长PZT纤维嵌入环氧树脂基体中，为复合材料提供弯曲柔韧性和保护纤维避免突然断裂，如图1所示。注意到这种结构被称为1-3复合材料[3]为了利用PZT纵向压电系数d33的优势，如图1所示，Bent和Hagood使用表面叉指电极代替平行电极。Hagood早期使用这种电极来改善压电陶瓷板的横向驱动性能[4]，他们还指出，更常用的平行电极是基于d31系数来驱动压电陶瓷板产生横向位移的，但该系数只有d33的一半，而叉指电极使得换能器在d33模式下工作。

图1.活性纤维复合材料

AFC的发展为推进结构健康监测技术、隐形变形飞机、高速汽车等许多领域提供了巨大潜力[5-8]。上述每种应用都可能使AFC同时受到机械负载、极端环境和电场的影响，从而导致复合材料中各物理性能之间的非线性行为和强耦合。尽管其应用和优势具有前景，但耦合的机电刺激和恶劣的环境会使AFC的组成部分经历非线性和非弹性行为，从而导致复杂的失效机制。施加与极化方向相反的高电场会导致PZT纤维的极化反转，从而影响该材料的驱动性能。AFCs的纤维体积含量一般小于50％，是复合材料中的活性相。PZT纤维通常可以用各种技术制备，其中商用PZT纤维最常见的两种制备方法是由先进陶瓷公司开发的粘性悬浮纺纱工艺（VSSP）[9]和ALCERU法[10]。一些研究集中在对纤维的性能进行探讨，以此来理解复合材料的行为。Nelson等[11]比较了不同工艺制备的市售纤维，测量了纤维的压电、介电和机械性能。结果表明，这些性能取决于纤维的微观结构和晶粒尺寸，这又受制备过程的影响。例如，对于不同的纤维，发现d33在263～315 pm·V-1之间变化，介电常数ε33在1330～1430之间变化，而对于块状PZT，d33通常为大约400 pm·V-1和ε33大约是1750。其他论文集中研究PZT纤维的机械性能，并将测量的性能与纤维的微观结构相关联。值得注意的是，纤维的模量变化在30～40 GPa之间，而块体PZT的模量在60 GPa左右[12-14]。上述实验均强调了纤维的性能（机械和电学）取决于其制备工艺，并且PZT纤维和块体之间的性能具有差异。研究和理解纤维的行为是重要且必要的，但它不足以理解整个AFCs的特性。复合材料中体积分数超过50％的聚合物组分也对AFC的性能起着重要作用。例如，聚合物基体的粘弹性特性对AFC具有整体响应，特别是在升高的温度下。高温下基体的软化导致纤维承受更多的应力，并可能导致纤维损伤，从而影响AFC的灵敏度和性能[5]。对于确定不同纤维体积含量的AFC的力学性能以及研究沿纤维方向不同纤维体积分数的机械破坏模式和断裂的实验研究很有限[15,16]，且这些研究仅关注在室温下不随时间变化的行为。此外，一些实验研究表明PZT本身的机电性能具有时变性[17-19]。在广泛的文献搜索之后，得知应变率和温度对AFC机械性能的影响尚未得到解决。此外，目前对于时温对AFC的整体机械性能影响的理解还远远达不到要求。最后，AFC在不同频率和温度下的极化反转响应还没有得到充分的探索。

该文提出了一项集中了解AFC在不同温度和加载速率下的机电和滞后响应的实验研究。该文中的AFC样品由分散在环氧树脂基体中的PZT 5A纤维组成。 聚酰亚胺层和叉指电极被放置在样品的两个表面上，导致沿着纵向纤维轴的电场。 此外，块体PZT 5A样品在各种温度和加载速率下进行测试，目的是研究组成性质对AFC整体特性的影响。第二部分讨论了AFC的机械响应，接下来第三部分中讨论了受到高循环电场影响的滞后响应（极化反转）。第四部分介绍了AFC的机电响应。第五部分是对结果和结论的简短讨论。

  1. 机械特性

图2.样品断裂图

通过在纵向纤维方向上施加拉伸试验来评估AFC的机械性能。该研究中测试的样本购自先进陶瓷公司。样品照片如图2所示。样品长120 mm，宽20 mm，厚0.4 mm，标距长度为80 mm。所使用的仪器是一台带有一个30 kN的称重传感器的液压MTS单轴测试机架。MTS配备了用于温度控制测试的环境室。为了理解力学行为的时间依赖性，在不同的位移速率下进行试验，即0.5、5和25 mm·min-1（这相当于0.625、6.25和31.25％·min-1的应变率） 并且在不同的等温温度下（25 ℃、50 ℃和75 ℃）进行测试，来研究温度依赖性。 在该研究中进行的所有实验中，每例至少使用3个样本。

0.5 mm· min-1的位移速率相对较慢，这导致了复合材料中铁素体转变和应力松弛（蠕变变形）[16]，而在5和25 mm·min-1时，时变影响微不足道。基于AFC的最高操作温度为80 ℃，温度的选择值应低于此值。实验中使用的试样尺寸如下：长130 mm，宽24 mm和厚0.38 mm;拉伸试验的标距长度为80 mm。 AFC的有效纵向性能是初始（瞬时）模量，拉伸强度和最大应变（也称为％伸长率）。注意，给出的瞬时模量是由应力-应变曲线接近初始（零）值的斜率来确定的。考虑粘弹性材料的弹性模量不是必要的。对每个温度条件和加载速率进行平均3次测试。所有实验数据都考虑了工程应力和应变。

从拉伸试验中得到应力-应变曲线，并且研究了温度和加载速率对3种性能的影响：弹性模量，拉伸强度和最大应变（也称为％伸长率）。图3（a）是25 ℃时不同位移速率下的应力-应变曲线。速率为0.5 mm·min-1（超过30 min的加载）的响应显示出了比速率为5 mm·min-1和25 mm·min-1（小于2 min的加载速率）更高的延展性和韧性，其表现出相对脆弱的响应。当位移速率从0.5增加到25 mm·min-1时，在不同位移速率下获得的AFC的拉伸强度（应力-应变图中的最大应力值）都在2％以内，而从25 ℃增加到75 ℃时，其降低多达25％。从而可以得出结论，AFC中具有缓慢加载速率的延性行为可能是由于聚合物基体的显著粘弹性效应。当比较图3（b）中应变速率为25 mm·min-1时的温度效应时，观察到拉伸强度，延展性和韧性的差异。温度升高导致AFC的延展性和韧性增加并且拉伸强度降低。

图3.（a）不同加载速率和（b）不同温度下的应力-应变曲线

图4和图5总结了不同温度和加载速率下的有效弹性模量，拉伸强度和最大应变。可以看出，瞬时模量易受时间和温度的影响，而拉伸强度和最大应变仅主要取决于温度。例如在室温下，加载速率从0.5 mm·min-1增加到25 mm·min-1（0.625％·min-1到31.25％·min-1）时，其瞬间模量几乎增加了100％。较低的加载速率导致较低的应力—应变初始斜率和较高的伸长量，这表明当给试样加载足够的时间时会发生应力松弛和蠕变变形过程。

然而，在75 ℃时，在不同加载速率下的瞬时模量非常接近。有可能是因为在75 ℃时，基体的粘弹性行为变得明显。从而即使加载速率为25 mm·min-1（加载持续时间快），也会导致AFCs出现明显的应力松弛和蠕变变形。换句话说，在高温下，相对较短的加载时间可能导致足够的应力松弛和蠕变变形过程。温度升高使瞬时模量降低40％，抗拉强度降低25％，最大应变增加80％。这很可能是由于环氧基体和用于保护电极的Kapton胶带的粘弹性特性引起的。更高的应变率增加了AFC的整体刚度和极限强度。较低的应变率与较长的加载持续时间相关，这对粘弹性基体有着更显著的影响。这变化的另一个原因是在界面处存在小气隙，这种气隙在高温下膨胀，导致PZT纤维-环氧树脂和Kapton-环氧树脂界面变弱。上面讨论的温度效应是通过扫描电子显微镜（SEM）来观察AFC断口表面得到验证，如图6所示。在25 ℃下，失效是由基质内部纤维的断裂引起的，裂缝穿过纤维。在50 ℃和75 ℃时，SEM图显示出纤维完好无损，说明PZT纤维从基体拉出，证明在较高温度下界面更脆弱。还观察到，在高温下，基体屈服和蠕变导致失效应变增加，没有任何纤维断裂，压电复合材料的承载能力增加并且通常没有脆性失效。

图4.不同温度和加载速率下的瞬时模量

图5.不同加载速率和不同温度下的（a）最大应变和（b）拉伸强度

图6.不同温度下断裂表面的SEM（50 mu;m刻度）：（a）在25 ℃、（b）在50 ℃和（c）在75 ℃

  1. 高循环电场下的迟滞响应

为了表征铁电性质，即矫顽电场（Ec），剩余极化和饱和极化（Pr和Ps），AFCs在不同频率（0.2 Hz、1 Hz和5 Hz）的正弦电场下测试。这些实验也在不同的等温温度下（25 ℃、 50 ℃ 和75 ℃）进行。测量是在硅油浴中进行的，以避免由于高电压而导致的短路和电弧放电。将样品连接到电压发生器和高压功率放大器，并将该电路连接到示波器以测量电流和电压。数据记录在笔记本电脑上。电流对于时间积分，然后除以电荷相交的面积，以得到几乎与极化（记为P）相等的电位移D，其中P由P = ε0（εr-1）得出，E和D由D = ε0εrE得出，且PZT 5A的εr大约是1800。电荷穿过平行电极的表面积简单定义为电极面积。然而，对于IDE，叉指电极收集电荷在顶部和底部，并且电场不均匀地分布在纤维中，其分布取决于电极间距和纤维直径。在该研究中，认为对于1组纤维和2个电极，假设电场覆盖电极之间的纤维的整个部分，该表面面积是纤维横截面的总和。绘制了极化强度随电场变化的曲线（铁电体的电滞回线），并从这些图中获得以下性质：剩余极化（Pr），饱和极化（Ps）和矫顽场（Ec）。 Ps是极化的最大值，Pr是零电场处的极化，Ec是零极化处的电场。为了研究环氧树脂和叉指电极对复合材料的影响，对纯PZT 5A板进行相同的实验。

在比较Pr，Ps和Ec之前，为了观察温度和频率对电滞回线形状的影响，在不同的温度和频率下进行测试得到的AFC样品的电滞回线如图7所示。降低电场频率会使电滞回线变得更高，因为当循环较慢时，电极有更多时间收集电荷。因此，Pr和Ps随着频率的降低而增加，而Ec几乎不变。在室温下，Pr在5 Hz～1 Hz之间增加25％。 然而，在1 Hz～200 mHz之间，增加幅度约为12％。还注意到随着温度升高Pr和Ps增加，且在25 ℃和50 ℃之间发生突变。

为了更好地分析温度对极化的影响，图8为AFC（图8（a））和块体PZT 5A（图8（b））的Pr变化。Pr在25 ℃和50 ℃之间增加30％，然后在75 ℃时部分减少。对于块体PZT，频率效应与AFC一样明显，并且Pr随着温度轻微增加。 比较AFC和PZT 5A，可知环氧树脂的存在会影响AFC的频率特性并放大温度效

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