PVDF壓電薄膜特性研究及其在裝備狀態監測中的應用

靳瑩，徐海威

（裝甲兵工程學院，a.機械工程系；b.學員四旅，北京 100072）

0 引言

聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）是一種新型壓電高分子聚合物材料,它具有壓電電壓常數高、頻響寬、靈敏度高、質量輕、柔韌性及耐腐蝕性好等優點［1］，同時易于加工和安裝，且成本低。把PVDF 加工成薄膜作為傳感器使用時，響應速度快，對系統的振動響應影響很小。因此，PVDF 壓電薄膜越來越受到人們的關注，隨著智能結構與系統的提出，PVDF 壓電薄膜逐漸成為了研究的熱點。PVDF 壓電薄膜的研究不斷深入、生產工藝不斷改進，使PVDF 壓電薄膜的應用越來越廣泛。

1 PVDF 壓電薄膜結構特性

為了獲得PVDF 薄膜的壓電性，需要對薄膜進行單軸拉伸，先獲得經拉伸的結構（如圖1 所示），然后將其加熱到80～110℃并進行極化，得到具備壓電性（如圖2 所示）的薄膜結構。由于PVDF 薄膜的電容較小，當受到外負載的作用時，PVDF 薄膜所產生的電荷無法持續保持，正是這種特性，使PVDF 薄膜更適宜用于結構的動態監測［2］。

圖1 經拉伸的PVDF 薄膜

圖2 具備極化性的PVDF 薄膜

2 實驗配置

試驗采用江蘇研楊公司生產的YE15000 振動力學實驗臺，實驗臺的結構如圖3 所示。圖3 中，a為簡支梁、已經安裝好的PVDF 傳感器及對比所用的CA-YD-107 54179加速度傳感器，b為YE5852電荷放大器，c為YE6251Y1 功率放大器，d為YE6251Y2 掃頻信號發生器，兩者結合可提供不同輸入頻率和幅度的簡諧信號，e為YE15400 電動激振器，可根據輸入的信號不同，對簡支梁進行振動。

圖3 試驗臺總體結構

對PVDF 傳感器輸出信號的采集采用如圖4 所示的計算機采集。其中輸入電纜的長度為450 mm，A/D 數據采集卡采用NI 公司PXI6251 采集卡，計算機處理與分析系統使用LabVIEW8.0 進行編寫，能實現信號的采樣、濾波和功率譜分析，采樣頻率設為2 kHz。

圖4 數據采集系統的配置

實驗材料為典型的PVDF 壓電薄膜，裁減的形狀為長13 mm、寬10 mm，其主要的物理參數如表1 所示。

在研究PVDF 的壓電特性時，對比普通壓電傳感器的壓電特性，需要在不同頻率下進行比較。首先設定激振系統的振動頻率，用產生的簡諧振動激勵簡支梁，從而進行對比分析。實驗過程如下：

1）設定信號發生器的頻率為50 Hz，產生簡諧振動信號并通過功率放大器放大之后傳給激振器，這時簡支梁受到激振器頻率為50 Hz 的激勵產生振動，對簡支梁的中端進行正弦加載，使其振動，并記載PVDF 輸出電壓。用示波器觀察PVDF 傳感器和普通壓電傳感器波形，經確認信號無誤后接入信號采集系統，對兩組數據進行采集，時域波形如圖5 所示。

表1 PVDF 壓電薄膜的物理參數

圖5 50 Hz 時PVDF 傳感器與壓電傳感器時域波形

2）將信號改為沖擊信號，用力錘錘擊簡支梁，用示波器觀察PVDF 傳感器波形，經確認信號無誤后接入信號采集系統，沖擊響應時域波形如6 所示。

圖6 PVDF 傳感器沖擊響應時域波形

3 實驗結果與分析

通過50Hz 的時域波形可以看出，PVDF 傳感器的相位比CA-YD-107 54179 傳感器的相位略有提前，這說明在形變足夠的情況下，PVDF 的靈敏度比普通壓電傳感器更高。由圖示我們還可以看出，PVDF 傳感器在波谷時的波形相對于波峰的波形來講更為尖銳。這是因為激振系統本身的原因（圖中CA-YD-107 54179 傳感器的輸出波形在波谷時同樣比波峰更尖銳），本文認為這是由PVDF自身的固有特性和實驗的安裝方式決定的。在一個振動周期中，當簡支梁處于向上的最大形變時，PVDF 對應輸出最大的正極電壓；當簡支梁由最大變形量向中間位置回復時，由于PVDF 具有極小的電容量，因此PVDF 傳感器的電荷將迅速消失，同時由于PVDF 傳感器本身存在的壓電效應，PVDF 將產生抵消原來具有的電荷反向的電荷，此為原因之一；原因之二是選用的PVDF 壓電薄膜在生產時其上下極面上分別都有焊接的接頭，在粘貼PVDF壓電薄膜的時候，PVDF 壓電薄膜已經產生了一定的形變，造成當簡支梁處于平衡位置時PVDF 還有一定的形變。

通過沖擊響應的時域波形可以看出，沖擊載荷作用于PVDF 壓電薄膜后，瞬間就達到了峰值，響應時間短、速度快，說明PVDF 壓電薄膜對結構所承受的沖擊載荷的反應非常敏感，是監測結構沖擊載荷的理想傳感元件。

4 裝備狀態監測中的應用

PVDF 壓電薄膜,具有柔性好、機械強度高、聲阻抗易匹配、頻響范圍寬、能抗化學和油性腐蝕等優良特性,可加工成大面積和復雜形狀的膜使用［6］。PVDF 壓電薄膜的用途廣泛，在力學、聲學、醫學、航空航天及軍事領域逐步發揮著越來越重要的作用。如測量應力和應變,制作聲輻射模態傳感器，在振動中用來制作加速度計和振動模態傳感器以及用在主動控制中，血壓計、心音計及血液診斷傳感器等。結構在沖擊載荷下發生了損傷，應用PVDF 壓電薄膜對結構的響應，可以實時監測裝甲裝備內部結構的損傷。將多片PVDF 壓電薄膜同時配合使用，還可以監測出結構損傷的位置和大小。因此，應用PVDF 壓電薄膜來監測軍用裝甲裝備內部結構的沖擊損傷具有廣闊的發展前景。

PVDF 壓電薄膜成本低，安裝方便，靈活性好，適用于裝備不解體測試。可用于監測復合材料中的沖擊損傷和復合材料—金屬連接處的損傷,也可制成自動檢查系統,檢測大面積層狀結構和復合結構中的缺陷。

PVDF 壓電薄膜及其聚合物可制成紅外探測器、熱像儀、紅外—可見光轉換器，應用于裝甲裝備狀態監測。裝甲車輛的故障復雜多變，且由于裝甲車輛工作環境惡劣，其故障的檢測用一般的故障檢測方法（如振動和噪聲等）很難準確地反映裝備產生故障的位置及故障產生的機理等。通過對設備的結構、材料等的深入研究發現，無論零部件發生的主要故障是構成材料的損壞如磨損、破裂等，還是機械結構的異常，如堵塞與泄漏等，亦或者是外來的干擾如污染等，很大程度上都與設備工作的溫度相關聯。這將不同程度地對設備的熱平衡產生影響，其內部產生的熱將以不同方式和速度逐漸擴散到設備的各個部位，直至其外表的溫度發生相應的變動。熱量的變化必然會通過紅外輻射得到反映，因此通過由PVDF 壓電薄膜及其聚合物制成紅外熱像儀可有效地采集這些重要的信號，通過深入研究得知，不同的部位在不同的工況下通常有各自的溫度臨界值，且相同部位也會因故障的差異產生相應的溫度等級；綜合設備的結構、運轉情況以及檢修等諸多狀況的研究，可對設備進行全方位的了解，及時掌握包括故障的性質和部位等設備的性能情況，把握設備運行趨勢，能有效地對故障變化情況和其壽命作出相應的預報。

5 結語

通過實驗表明，PVDF 壓電薄膜動態響應特性具有如下特點：監測結構應變的靈敏度較高，動態響應有遲滯現象；可以實時監測結構的動態載荷。PVDF 壓電薄膜具有壓電系數高、柔韌性好、不脆不碎、質量輕、易粘貼和操作簡單方便等優點，PVDF 壓電薄膜在裝甲裝備狀態檢測上的結構缺陷檢測、裝甲裝備狀態監測及可靠性研究方面應用前景非常廣闊。

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