摘 要：復(fù)合材料因強度高、可設(shè)計性強，耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)良性能而得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于生產(chǎn)和后續(xù)使用過程，其內(nèi)部難免會出現(xiàn)一些缺陷，如果不能及時探測并替換受損的復(fù)合材料將會對整個設(shè)備產(chǎn)生不可估量的損失與影響。壓電陶瓷-電阻抗法就是一種有效的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)，本文主要分析了這種方法的可行性和優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：鐵電材料；電阻抗法；復(fù)合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.182

1 壓電材料應(yīng)用前景

在19世紀(jì)80年代，英國物理學(xué)家居里兄弟在一次實驗過程中，偶然反現(xiàn)了壓電材料。1881年，物理學(xué)家根據(jù)熱力學(xué)三定律，發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)。但是在應(yīng)用研究上并沒有得到實際的應(yīng)用于進(jìn)展。直到1954年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了PbZrO3一PbTiO3固溶體（也稱壓電陶瓷）[1]，這種材料不僅具有優(yōu)異的壓電性和良好的穩(wěn)定性，還具有巨大的工程使用價值，使得研制出壓電片成為可能。隨著科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種性能更加優(yōu)異的壓電材料—壓電陶瓷，壓電陶瓷的出現(xiàn)在壓電學(xué)的發(fā)展中具有劃時代的意義，奠定了壓電材料應(yīng)用基礎(chǔ)。壓電陶瓷在使用的過程中具有很高的靈敏度?？梢詫崿F(xiàn)把微弱的電信號（微弱的振動信號）轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的位移信號（電信號），這種材料廣泛用于可海上聲納系統(tǒng)、天氣預(yù)報、家用電器制造等行業(yè)。地震是危害非常大的，而且產(chǎn)生地震的根源位于地球內(nèi)部深處，所以準(zhǔn)確預(yù)報出地震發(fā)生時間和位置是非常困難的，目前的科學(xué)技術(shù)是不能夠達(dá)到這一水平的，這個問題一直以來困擾著科學(xué)家。壓電陶瓷對外界的振動或者壓力是非常敏感的，甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀的振動信號。如果用它作為制造地震儀的基本感應(yīng)元件，就可以比較靈敏準(zhǔn)確檢測地震的強度，指示出地震的方位和距離。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，本人相信壓電元件在地震預(yù)測中會發(fā)揮重要的作用。

2 傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)簡介及缺點

傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)存在很多缺點：必須提前確定損傷出現(xiàn)的大致位置；要求被測機器停止運行，這不僅降低了生產(chǎn)效率，耗費時間，而且增加了成本。傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)對于一些大型結(jié)構(gòu)特別是比較復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行檢測等，從而大大限制了其應(yīng)用范圍。X射線在檢測分層時也受到上述限制；CT照相法對人體有害、操作者必須經(jīng)過專門培訓(xùn)；超聲法的信噪比低，不易分辨；微波法對較小缺陷不敏感；超聲C掃描無法識別薄板中的缺陷，檢測效率較低；表面滲透無法檢測復(fù)合材料的分層缺陷，這大大限制了該技術(shù)的應(yīng)用；紅外熱波成像受環(huán)境溫度、缺陷位置和缺陷性質(zhì)的影響較大；此時，高的頻率可以限制傳感區(qū)域，使損傷對振動信號的影響同遠(yuǎn)端邊界條件的影響分開，這就更有利于對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的檢測?？梢钥闯雠c其他傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)比較，阻抗分析法無損檢測技術(shù)除了具有操作簡便，測量精度高的優(yōu)點，可以實現(xiàn)微小裂紋的無損檢測。

3 壓電無損檢測技術(shù)基本原理及優(yōu)勢

壓電無損檢測技術(shù)在航空航天、紡織業(yè)、建筑業(yè)等部門有著很大的發(fā)展前景[2-4]。該方法利用正、逆壓電效應(yīng)，通過測量電阻抗參數(shù)來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的檢測。圖1給出了壓電-電阻抗無損檢測技術(shù)工作原理，將壓電陶瓷片粘貼固定在被測構(gòu)件上，同時對壓電片施加正弦或者余弦掃描激勵電壓信號，當(dāng)試驗材料內(nèi)部出現(xiàn)微小裂紋或者缺陷時，其機械阻抗就跟著發(fā)生變化，從而影響附著構(gòu)件上壓電陶瓷片的電阻抗值的變化對壓電片電阻抗值進(jìn)行測量，同時將測量的數(shù)據(jù)與健康的試件測量的阻抗數(shù)值進(jìn)行比較，就能確定試件是否發(fā)生損傷或內(nèi)在安全隱患。

電阻抗（EMI）是壓電效應(yīng)在結(jié)構(gòu)診斷方面的典型應(yīng)用[5]。壓電激振電阻抗技術(shù)可用于導(dǎo)電復(fù)合材料的損傷檢測，也可檢測工件的內(nèi)部損傷缺陷（裂紋、脫膠、分層和纖維斷裂等）[6，7]。此技術(shù)有如下特點： 1.阻抗技術(shù)可以實現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)的無損檢測；2.工作的頻率范圍比較寬，對初期損傷非常敏感，可以實現(xiàn)微小裂紋的無損檢測；3.壓電片既作傳感器又作驅(qū)動器，提高了傳感器使用效率，節(jié)省了成本；4.壓電陶瓷的體積比較小，進(jìn)行阻抗分析時，對整體結(jié)構(gòu)物理和機械特性不會產(chǎn)生明顯影響，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線測量，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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[6]馮偉.應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電阻抗技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[7]徐茂華.結(jié)構(gòu)損傷檢測PZT阻抗法的理論與試驗研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

作者簡介：郭運坤（1993），男，碩士。