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)

0 引言

地震勘探是礦產(chǎn)資源開采、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。在地震勘探過程中，隨著探測深度的增加，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題，無法大規(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[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、周邊簡支和簡支梁式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。

1 MFC制備與測試方法

1.1 MFC制備

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)沿長度方向進(jìn)行開槽，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)合層通過高分子聚合物(環(huán)氧樹脂)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。

1.2 測試方法

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Radiant公司)測量MFC的鐵電響應(yīng)行為。采用高壓發(fā)生器(美國Trek公司，Model 609A)為電滯回線的測試提供高壓驅(qū)動(dòng)。

采用自行搭建的測試平臺(tái)進(jìn)行傳感性能測試，MFC的傳感性能一般通過采集其兩端的輸出電壓來表征。圖2為懸臂梁振動(dòng)測試平臺(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，樣品通過導(dǎo)線連接數(shù)字萬用表(吉時(shí)利，DMM7510)，在傳感測試平臺(tái)上通過電動(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驅(qū)動(dòng)懸臂梁，通過軟件程序控制參數(shù)確保在頻率測試范圍內(nèi)所提供的加速度是恒定的。測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

2 有限元仿真與懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 MFC懸臂梁模型建立

本文采用COMSOL Multiphysic多物理場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

2.2 懸臂梁材料對(duì)MFC電輸出性能的影響

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)?？紤]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

2.3 懸臂梁尺寸參數(shù)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，懸臂梁厚度過大或過小均會(huì)導(dǎo)致MFC輸出電壓過低，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)懸臂梁長度為45 mm時(shí)，MFC輸出電壓最大(為37.6 V)。隨著懸臂梁長度的增加，諧振頻率逐漸降低。懸臂梁長度是影響諧振頻率最重要的因素。為了避免諧振頻率過低，帶寬過窄，懸臂梁長度不應(yīng)過長。綜合考慮諧振頻率與輸出電壓的影響，本文選取MFC的長度為45 mm。

圖7 懸臂梁長度對(duì)MFC輸出性能的影響

3 測試與討論

3.1 MFC結(jié)構(gòu)表征

MFC的封裝是將叉指電極與壓電復(fù)合層通過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)氧樹脂和叉指電極間粘結(jié)緊密，無明顯缺陷，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

3.2 MFC鐵電性能

壓電陶瓷屬于鐵電體，其自發(fā)極化強(qiáng)度P將因?yàn)橥饧与妶鯡的引入而轉(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)外加電場強(qiáng)度較低時(shí)，MFC的P-E曲線不明顯，剩余極化強(qiáng)度較??；當(dāng)施加1 500 V高外加電場時(shí)，根據(jù)可逆電疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制，電疇轉(zhuǎn)向后，無法靠自身內(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

通過提高外加電場強(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。

3.3 MFC的傳感性能

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)行傳感性能的測試。

通過振動(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，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試

4 結(jié)束語

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)行了研制和測試。測試結(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，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。