李加紅,周 靜,沈 杰,田 晶,周晶晶
(1. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2. 武漢理工大學(xué) 三亞科教創(chuàng)新園,海南 三亞 572019)
地震勘探是礦產(chǎn)資源開(kāi)采、工程安全實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)危害管理中最可靠、最常用的技術(shù)[1]。振動(dòng)傳感器用于獲取地震波信號(hào),是地震勘探系統(tǒng)的最前端儀器,其直接決定采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在地震勘探過(guò)程中,隨著探測(cè)深度的增加,傳回地面的地震反射波主要以低頻為主,且振幅相對(duì)較小。因此,深層地震勘探需要具有高靈敏度和低諧振頻率的傳感器。目前常用于地震勘探的傳感器包括動(dòng)圈式傳感器[2]、壓電式傳感器[3]、光纖式傳感器[4]及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)式傳感器[5]等。其中,傳統(tǒng)的動(dòng)圈式傳感器在地震勘探技術(shù)上雖較成熟,但受自身機(jī)械特性的限制,其靈敏度低,固有頻率高,難以滿(mǎn)足深部地震勘探的低頻要求;光纖式傳感器及MEMS傳感器由于高成本和適用性等問(wèn)題,無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。壓電傳感器靈敏度高,頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大,實(shí)用性強(qiáng),且成本適中,被廣泛應(yīng)用于地震勘探領(lǐng)域。
壓電傳感器[6]是利用壓電材料的壓電效應(yīng)獲取地震信號(hào)的振動(dòng)傳感器。現(xiàn)有的壓電傳感器使用壓電陶瓷作為敏感元件,反復(fù)受力變形時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋,影響到傳感器的壽命與可靠性,且受結(jié)構(gòu)形式與物性限制,低頻截止頻率約為10 Hz。壓電纖維復(fù)合材料(MFC)是由壓電相和聚合物相按照一定的連通性組成[7],既克服了壓電陶瓷材料脆性大和柔韌性差等不足,又具有很高的壓電常數(shù),且其單向性能突出和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于傳感[8]、振動(dòng)控制[9]、驅(qū)動(dòng)[10]、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[11]和能量采集[12]等領(lǐng)域,是目前最理想的智能材料之一。
MFC作為傳感元件一般裝配于彈性基板上使用,根據(jù)使用方式的不同,MFC與基板的裝配方式可分為懸臂梁式、周邊固支、周邊簡(jiǎn)支和簡(jiǎn)支梁式4種[13]。在相同外部載荷下,與其他3種結(jié)構(gòu)相比,懸臂梁式能產(chǎn)生更大的變形和應(yīng)變,具有更低的諧振頻率[14],且對(duì)低頻段的振動(dòng)更靈敏。因此,基于MFC高壓電性、柔韌性的特點(diǎn)與懸臂梁的低頻適用性,本文提出MFC懸臂梁結(jié)構(gòu),通過(guò)合理地設(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了低頻高靈敏的性能特點(diǎn),為MFC懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低頻傳感領(lǐng)域提供了研究參考。
MFC是由壓電復(fù)合層、叉指電極及聚酰亞胺封裝膜復(fù)合而成的一種壓電復(fù)合材料,其復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,本文選取課題組制備的高壓電性、高機(jī)電耦合系數(shù)、低損耗的PZT-5H壓電陶瓷作為MFC中壓電相材料,壓電陶瓷的材料性能參數(shù)如表1所示。表中,d33為壓電常數(shù),ρ為密度,kp為機(jī)電耦合系數(shù),εr為介電常數(shù),tanδ為介電損耗。
圖1 MFC示意圖
表1 PZT-5H材料參數(shù)
本文采用切割-填充法制備MFC,首先將一定尺寸的矩形陶瓷塊(40 mm×6 mm×10 mm)沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行開(kāi)槽,得到壓電纖維寬度與間距一致,且為0.35 mm的壓電纖維陣列;然后將配成的環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑澆筑到壓電纖維陣列中,并置于30 ℃真空干燥箱中抽真空固化,得到環(huán)氧樹(shù)脂填充的壓電纖維陣列;再沿已固化的壓電纖維陣列寬度方向進(jìn)行橫向切割,得到厚度為0.35 mm的壓電復(fù)合層;最后將叉指電極與壓電復(fù)合層通過(guò)高分子聚合物(環(huán)氧樹(shù)脂)基體封裝成一個(gè)整體,獲得壓電纖維復(fù)合材料如圖1(b)所示。
采用金相顯微鏡(日本Nikon公司,Eclipse Lv150n)觀察MFC中纖維與聚合物間及壓電復(fù)合纖維層與叉指電極間的界面結(jié)合狀態(tài)。采用鐵電工作站(美國(guó)Radiant公司)測(cè)量MFC的鐵電響應(yīng)行為。采用高壓發(fā)生器(美國(guó)Trek公司,Model 609A)為電滯回線的測(cè)試提供高壓驅(qū)動(dòng)。
采用自行搭建的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行傳感性能測(cè)試,MFC的傳感性能一般通過(guò)采集其兩端的輸出電壓來(lái)表征。圖2為懸臂梁振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。將MFC固定在懸臂梁上,懸臂梁的頂端固定在振動(dòng)臺(tái)上,另一端自由,樣品通過(guò)導(dǎo)線連接數(shù)字萬(wàn)用表(吉時(shí)利,DMM7510),在傳感測(cè)試平臺(tái)上通過(guò)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)(蘇州蘇試公司,DC-1000-15)提供不同加速度和頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂梁,通過(guò)軟件程序控制參數(shù)確保在頻率測(cè)試范圍內(nèi)所提供的加速度是恒定的。測(cè)試不同加速度和頻率下MFC的輸出電壓信號(hào),進(jìn)而表征MFC對(duì)加速度傳感性能。
圖2 MFC傳感裝置示意圖
本文采用COMSOL Multiphysic多物理場(chǎng)有限元仿真軟件建立MFC懸臂梁結(jié)構(gòu)模型,如圖3(a)所示。MFC懸臂梁結(jié)構(gòu)由壓電纖維復(fù)合材料、懸臂梁基板組成,其中懸臂梁一端固定,在其自由端沿z方向施加體載荷。MFC懸臂梁應(yīng)力分布如圖3(b)所示。由圖3(b)可看出,MFC懸臂梁的一階振動(dòng)模態(tài)為彎曲振動(dòng),且越靠近固定端,應(yīng)力越大,從固定端到自由端應(yīng)力逐漸變小,故將MFC粘貼在懸臂梁的根部,由此獲得最大的靈敏度。
圖3 仿真模型示意圖
在振動(dòng)源激勵(lì)下,懸臂梁受到應(yīng)力并產(chǎn)生彎曲形變,振動(dòng)信號(hào)將轉(zhuǎn)變成同頻同振幅的力信號(hào)傳遞給懸臂梁上的MFC,MFC作為力-電轉(zhuǎn)換的元件,將感知到的力信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻電信號(hào),最終由于力的傳遞,使敏感元件MFC輸出與振動(dòng)激勵(lì)同頻正相關(guān)的電信號(hào)。本文選擇4種不同材料的懸臂梁基板,以探究不同基板材料對(duì)MFC電輸出性能的影響。
分別選取不銹鋼、鋁、黃銅、碳纖維4種典型的材料,仿真模擬中給予壓電復(fù)合懸臂梁沿z軸方向且加速度為1g(g=9.8 m/s2)的動(dòng)態(tài)載荷,分析懸臂梁材料對(duì)MFC懸臂梁傳感器性能的影響。圖4為在1g加速度動(dòng)態(tài)載荷條件下,不同懸臂梁材料的MFC輸出電壓隨頻率變化的曲線。由圖可看出,MFC的輸出電壓在諧振頻率時(shí)達(dá)到峰值。在相同條件下,諧振頻率為196 Hz時(shí)不銹鋼基板的MFC輸出電壓最大(為36.4 V)。在諧振頻率為204 Hz和180 Hz處,鋁和黃銅基板MFC輸出電壓分別為30.2 V和32.9 V。在諧振頻率為164 Hz時(shí),碳纖維基板MFC輸出電壓最低(為8.9 V)。考慮到基板材料對(duì)MFC輸出電壓的影響,本文選用不銹鋼作為懸臂梁的材料,同時(shí)其腐蝕性、耐熱性和彈性穩(wěn)定性均較好。
圖4 不同基板材料對(duì)MFC輸出性能的影響
MFC的輸出電壓與懸臂梁厚度有關(guān),為了分析懸臂梁厚度對(duì)MFC輸出電壓的影響規(guī)律,設(shè)置MFC的尺寸參數(shù)不變,通過(guò)改變懸臂梁厚度,仿真求解得到MFC輸出電壓與懸臂梁厚度間的變化關(guān)系,如圖5所示。由圖可看出,懸臂梁厚度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致MFC輸出電壓過(guò)低,當(dāng)懸臂梁厚度為0.4 mm時(shí),MFC的輸出電壓達(dá)最大值(為37.2 V)。這是由于懸臂梁厚度過(guò)小,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到影響,同時(shí)影響MFC應(yīng)力的有效傳遞;懸臂梁厚度過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎曲剛度較大,從而引起懸臂梁形變量減少。因此,合理的選擇懸臂梁厚度,可保證MFC使役過(guò)程中應(yīng)力的有效傳遞,進(jìn)而增大MFC的輸出電壓。本文采用厚0.4 mm的懸臂梁。
圖5 懸臂梁厚度對(duì)MFC輸出性能的影響
為了分析懸臂梁寬度對(duì)其產(chǎn)生電壓的影響規(guī)律,仿真求解得到MFC輸出電壓與寬度間的變化關(guān)系如圖6所示。由圖可看出,在一定范圍內(nèi),MFC輸出電壓隨其寬度的增大而減小。這是由于MFC作為傳感器件的一部分,其有效面積固定(40 mm×6 mm),輸入的動(dòng)能不變,隨著基板寬度的增加,其負(fù)載質(zhì)量逐漸增加,動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率變低,導(dǎo)致MFC上產(chǎn)生的電荷量變小,其輸出電壓逐漸變小。因此,本文采用寬度10 mm的懸臂梁。
圖6 懸臂梁寬度對(duì)MFC輸出性能的影響
圖7為懸臂梁長(zhǎng)度對(duì)MFC輸出電壓和諧振頻率的影響。由圖可看出,當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度為45 mm時(shí),MFC輸出電壓最大(為37.6 V)。隨著懸臂梁長(zhǎng)度的增加,諧振頻率逐漸降低。懸臂梁長(zhǎng)度是影響諧振頻率最重要的因素。為了避免諧振頻率過(guò)低,帶寬過(guò)窄,懸臂梁長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。綜合考慮諧振頻率與輸出電壓的影響,本文選取MFC的長(zhǎng)度為45 mm。
圖7 懸臂梁長(zhǎng)度對(duì)MFC輸出性能的影響
MFC的封裝是將叉指電極與壓電復(fù)合層通過(guò)高分子聚合物基體封裝成一個(gè)整體,封裝結(jié)果決定MFC的極化程度和性能表現(xiàn)。封裝過(guò)程中如果叉指電極和復(fù)合材料界面間、壓電陶瓷和聚合物界面間尺寸不均或存在缺陷,將使界面處空間電荷聚集,存在介電擊穿等危險(xiǎn)。本文封裝采用熱壓工藝,在真空中嚴(yán)格控制溫度和壓力,保證MFC制備工藝的一致性和性能穩(wěn)定性。
圖8(a)為壓電纖維復(fù)合層的纖維結(jié)構(gòu)圖。由圖可看出,在壓電纖維復(fù)合層中,環(huán)氧樹(shù)脂與壓電纖維間連結(jié)緊密,可以很好地傳遞應(yīng)力。同時(shí),壓電纖維的寬度與間距控制得很好。圖8(b)為MFC的斷面顯微結(jié)構(gòu)圖。由圖可看出,壓電纖維、環(huán)氧樹(shù)脂和叉指電極間粘結(jié)緊密,無(wú)明顯缺陷,上下電極對(duì)應(yīng)狀態(tài)良好,且叉指電極與壓電纖維間的環(huán)氧粘結(jié)層非常薄,接觸良好。
圖8 MFC結(jié)構(gòu)分析
壓電陶瓷屬于鐵電體,其自發(fā)極化強(qiáng)度P將因?yàn)橥饧与妶?chǎng)E的引入而轉(zhuǎn)向,在未極化前,壓電陶瓷內(nèi)部偶極子各方向上的矢量和為0。因此,壓電纖維復(fù)合材料工作前必須進(jìn)行極化。為了探明MFC的極化特性,本文研究了未極化的MFC樣品處于不同驅(qū)動(dòng)電壓條件下的電滯回線(P-E曲線)。
圖9為不同電壓幅值下MFC的P-E曲線,驅(qū)動(dòng)電壓頻率為1 Hz。由圖可看出,MFC的剩余極化強(qiáng)度隨外加電壓的增加而升高,當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí),MFC的P-E曲線不明顯,剩余極化強(qiáng)度較小;當(dāng)施加1 500 V高外加電場(chǎng)時(shí),根據(jù)可逆電疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制,電疇轉(zhuǎn)向后,無(wú)法靠自身內(nèi)在恢復(fù)力回到初始狀態(tài),所以剩余極化強(qiáng)度大,P-E曲線更飽和。
圖9 不同電壓下MFC的電滯回線
通過(guò)提高外加電場(chǎng)強(qiáng)度可有效地提高壓電纖維復(fù)合材料的極化強(qiáng)度,充分發(fā)揮材料的性能。本文中壓電纖維復(fù)合材料的極化條件初步確定為常溫下1 500 V直流電壓,保壓時(shí)間為15 min。
根據(jù)有限元仿真提出的設(shè)計(jì),采用不銹鋼材料制備了45 mm×10 mm×0.4 mm的懸臂梁,并將其與MFC裝配進(jìn)行傳感性能的測(cè)試。
通過(guò)振動(dòng)臺(tái)提供振動(dòng)加速度g,給MFC懸臂梁加速度分別為1g、1.5g、2g、2.5g、3g的動(dòng)態(tài)載荷,利用數(shù)字萬(wàn)用表記錄MFC的輸出電壓信號(hào)。圖10(a)為1g載荷下MFC頻率響應(yīng)的實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖可以看出,MFC的輸出電壓隨著激勵(lì)頻率的增加而先增加后減小,在諧振頻率時(shí)達(dá)到峰值。相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下,實(shí)測(cè)MFC在諧振頻率為212 Hz時(shí),輸出電壓最大為28.5 V;而仿真中MFC輸出電壓最大為36.2 V,諧振頻率為216 Hz。實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)存在一定誤差,這是由于仿真中邊界條件的設(shè)置比實(shí)驗(yàn)完美,忽略了實(shí)驗(yàn)中其他影響因素,如MFC與懸臂梁間的粘結(jié)層對(duì)力傳遞的影響造成電輸出性能的降低[15]等因素。如圖10(b)所示,隨著振動(dòng)加速度的增大,MFC的輸出電壓也逐漸增大,當(dāng)振動(dòng)加速度為3g時(shí),輸出電壓最大為85 V。當(dāng)振動(dòng)頻率在諧振頻率附近時(shí),輸出電壓突然增加,使MFC作為傳感元件在靠近諧振頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定性較差。圖10(c)為不同振動(dòng)加速度及頻率下輸出電壓。由圖可以看出,隨著振動(dòng)加速度的增大,輸出電壓呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì),在靠近諧振頻率處,斜率發(fā)生了突變,表明MFC在遠(yuǎn)離諧振頻率的頻率范圍內(nèi)具有良好的傳感性能。對(duì)圖10(c)中不同頻率下采集到的對(duì)應(yīng)不同加速度的電壓輸出點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到的斜率即為該頻率下MFC懸臂梁的電壓靈敏度,從而可以得到MFC作為傳感元件的電壓靈敏度與頻率的關(guān)系,如圖10(d)所示。由圖可以看出,在5~190 Hz范圍內(nèi),MFC的靈敏度較穩(wěn)定(為205 mV/g)。
圖10 MFC懸臂梁的傳感性能測(cè)試
本文制備了壓電纖維復(fù)合材料,并與懸臂梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合作為整體對(duì)其傳感性能做了系統(tǒng)表征。首先通過(guò)有限元仿真對(duì)MFC懸臂梁進(jìn)行了模態(tài)分析,并研究了懸臂梁材料及尺寸參數(shù)對(duì)MFC電輸出性能的影響,確定了懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)MFC懸臂梁進(jìn)行了研制和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,懸臂梁材料為不銹鋼材料,尺寸參數(shù)為45 mm×10 mm×0.4 mm時(shí),MFC實(shí)測(cè)輸出電壓最大為28.5 V,諧振頻率為212 Hz,且MFC的輸出電壓隨著振動(dòng)頻率的增加呈先增大后減小趨勢(shì),在諧振頻率時(shí)輸出電壓達(dá)到峰值,與仿真結(jié)果基本吻合。采用振動(dòng)臺(tái)對(duì)MFC懸臂梁進(jìn)行傳感性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在低于諧振頻率處,MFC輸出電壓與振動(dòng)臺(tái)在特定頻率下施加的加速度成正比,在5~190 Hz內(nèi),MFC的靈敏度達(dá)到205 mV/g。實(shí)驗(yàn)證明,MFC懸臂梁在低頻段表現(xiàn)出良好的傳感性能。此研究為低頻領(lǐng)域的拓寬提供了參考。