本⽂内容转载⾃《机械⼯程材料》2019年第6期，版权归《机械⼯程材料》编辑部所有。
姚晓成，赵程，曾涛
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上海材料研究所上海市⼯程材料应⽤与评价重点实验室
摘要：结合振动主动控制和被动控制原理，综述了应⽤于振动控制领域的单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料、0-3型压电复合材料等4种压电智能材料，重点介绍了其结构特点、制备⼯艺，以及在机械制造、航空航天和船舶航运等领域减振应⽤的研究进展，指出了压电材料的未来研究⽅向。 关键词：压电陶瓷；多层叠堆；压电纤维；0-3型压电复合材料；振动控制
0 引⾔
机械振动存在于处于⼯作状态的各种机器中，如精密机床、飞⾏器、船舶等。强烈的振动会影响机械零件⼯作的准确性和稳定性，严重时还会导致疲劳破坏⽽缩短结构的寿命或导致共振⽽损坏结构。振动产⽣的噪声更是对环境和⼈类健康产⽣了重⼤危害。因此，削减不利的振动响应已然成为⼯业上亟待解决的问题。
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音频测试设备⼯程界常⽤的振动控制⽅法是安装约束阻尼层结构，即在结构表⾯粘接黏弹性材料和弹性约束层，通过黏弹性材料的剪切效应耗散结构振动能。该⽅法具有很⾼的可靠性，但是不⾜之处也很明显：约束阻尼层结构本⾝不具备智能性，⼀旦实施完成，系统的阻尼特性就很难进⾏调节，因⽽不能适应外部环境的变化。因此，研究⼈员提出了利⽤压电效应对结构振动进⾏控制的观点。
压电效应包括正压电效应和逆压电效应。当压电材料受到某⽅向的外⼒时，其内部就会出现极化现象，同时在其上下表⾯产⽣等量异号电荷，且产⽣的电荷量与所施加的外⼒成正⽐；当撤去外⼒后，压电材料⼜恢复到最初不带电的状态，这种现象称为正压电效应。反之，若将压电材料置于电场中，在电场作⽤下，压电材料的内部正负电荷中⼼会产⽣相对位移，从⽽使压电材料产⽣形变，其形变⼤⼩与电场强度成正⽐，这种现象称为逆压电效应。利⽤压电材料的这种机电转换特性对振动响应进⾏控制，从消耗能量与否的⾓度可以分为主动控制和被动控制两种⽅式。振动主动控制以压电材料的逆压电效应为基础，根据所检测到的振动信号，应⽤⼀定的控制策略，经过实时计算进⽽驱动外部的压电作动器对控制⽬标施加⼀定的影响，最终达到抑制或消除振动的⽬的。被动控制则以正压电效应为基础，是⼀种⽆外加能源的控制：压电耗能装置附加在结构的适当部位，通过压电材料将机械能转变为电能，以实现吸收振动进⽽改变结构体系动⼒特性的⽬的。被动控制属于反馈控制，具有结构简单、易于实现等特点，但是控制的效果和适应性较差；主动控制具有控制效果好、环境适应能⼒强等特点，弥补了被动控制的不⾜。
近年来，利⽤压电材料进⾏结构振动控制的研究很多。为了给⼴⼤研究⼈员提供参考，作者对单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料和0-3型压电复合材料等4种振动控制材料进⾏了综述，重点介绍了这4种材料的结构特点、制备⼯艺及其在振动控制领域的研究进展，指出了其未来研究⽅向。
1 振动控制⽤压电材料
1.1 单层压电陶瓷
单层压电陶瓷（⼜称压电陶瓷⽚）是指经过直流⾼压电场极化处理后具有压电效应的铁电陶瓷，具有密度⼩、响应精度好、频响⾼和出⼒⼤等优点。压电陶瓷⽚的制备⼯艺⼀般包括粉体合成、陶瓷成型及烧结等3道⼯序，每道⼯序对陶瓷的最终质量都有着⾄关重要的影响。为制得粒径分布均匀且范围窄、粒径⼩、纯度⾼、烧结性能好的陶瓷粉
体，PRAVEEN KUMAR等以甲苯为溶剂，将PbO、ZrO 2 、TiO 2 和La 2 O 3 等粉体在⾼能⾏星球磨机中以250 r·min -1 的转速球磨30 h后，采⽤优化的传统固相反应法获得部分已转变成钙钛矿结构的锆钛酸铅镧（PLZT）纳⽶粉体，粉体粒径约25 nm；DERBY课题组采⽤喷墨打印成型技术，通过改变分散剂和溶剂组成制得了可⽤于喷墨打印的固含量（体积分数）⾼达40%的锆钛酸铅（PZT）陶瓷溶液，并且采⽤固含量（体积分数）为35%的PZT陶瓷溶液打印出了陶瓷坯体，其烧结后⼏乎达到完
全致密（孔隙率⼩于1%），⽆模的成型⼯艺在降低成本、确保精度的同时还提⾼了⽣产效率；CHUA等通过添加MnO 2 、Bi 4 Ti 3 O 12 和Ba 2 TiSi 2 O 8 复合掺杂剂，不仅实现了性能优异PZT陶瓷的低温（1050 ℃）烧结，⽽且显著改善了PZT陶瓷的压电性能。
2013年，美国国家航空航天局（NASA）联合美国通⽤集团对布有压电陶瓷⽚的风扇叶⽚进⾏了仿真和试验研究，提出并演⽰了⼀种⽤于降低飞机发动机叶⽚振动的压电减振技术。结果显⽰，当叶⽚转速为5000 r·min -1 时，叶⽚压电振动阻尼⽐基准阻尼增加了70%，实现了⼀定程度的振动抑制。2018年，美国国防⾼级研究计划局（DARPA）、波⾳公司
阻尼⽐基准阻尼增加了70%，实现了⼀定程度的振动抑制。2018年，美国国防⾼级研究计划局（DARPA）、波⾳公司和NASA进⾏了带有压电陶瓷⽚设计的智能旋翼试验，在每个桨叶叶⽚上都安装了⼀个可偏转的压电驱动后缘襟翼，驱动压电陶瓷抵消桨叶的部分振动载荷，从⽽实现对桨毂振动的控制。结果表明：叶⽚涡动相互作⽤引起的⾯内噪声降低近6 dB，振动轮毂负荷降低约80%；对于幅值⾼达3°的可控谐波剖⾯，尾缘襟翼偏转控制在⼩于0.2°均⽅根误差范围内，证实了智能旋翼可以有效地改善旋翼振动情况，并且在改善旋翼⽓动环境⽅⾯也有很好的效果。
1.2 多层叠堆压电陶瓷
现代飞⾏器对舒适性和易操控性的要求，使得飞⾏器必须实现机体的振动控制。单层压电陶瓷存在驱
动电压⾼带来的驱动电源体积要求⼤等问题，使其不能满⾜飞⾏器对振动控制系统⼩型化的要求。
现有研究表明，通过将多⽚陶瓷级联制成多层叠堆压电陶瓷，即通过压电层和电极层的交错堆叠形成压电层串联、电极层并联的连接形式，能将产⽣相同位移时的驱动电压降低到单层压电陶瓷的1/10左右，这就能够有效降低驱动电源的复杂度，实现驱动电源的⼩型化。反之，也说明多层叠堆压电陶瓷能够在现有机载驱动器条件下，产⽣⽐单层压电陶瓷更⼤的位移，从⽽满⾜⼤振幅场合的减振需求。医院新风系统
多层叠堆压电陶瓷的制备⼯艺包括图案印刷、排胶及烧结三⼤部分。国内采⽤的传统⼯艺⼤都是利⽤黏结剂将单⽚压电陶瓷黏结⽽成。由于采⽤传统制备⼯艺制作200 µm及以下厚度的单⽚压电陶瓷难度较⼤，因⽽传统制备⼯艺⽆法满⾜器件⼩型化、集成化的要求。近年来，利⽤陶瓷素坯流延制备⼯艺以及流延陶瓷坯膜和内电极⼀次共烧技术制备得到了100 µm厚单⽚压电陶瓷，可实现低电压驱动且⾼位移输出；⽽利⽤设计好图案的⽹板，采⽤单座叠层印刷机通过错位或者旋转印刷等⽅式，在每层膜⽚上印刷电极浆料以实现正负极性，通过套印或者控制电极材料中陶瓷粉体的添加量，可以解决多层叠堆压电陶瓷尤其是厚度超过1 cm后的叠堆平整度差的难题。
在压电陶瓷⽚基础上研制的多层叠堆压电陶瓷结构简单，可提供较⼤的驱动⼒，同时多层结构可在⼀定程度上减⼩驱动电压、提⾼位移输出量，可应⽤于振幅较⼤的减振场合。陈万华等为实时控制带有模型尾⽀杆⽀撑系统在吹风过程中的振动特性，以多层叠堆压电陶瓷为减振元件设计了尾⽀杆⼀体化
结构，采⽤神经⽹络PID实时控制⽅法进⾏振动控制试验，结果表明利⽤该控制系统可实时控制不同风速下的激励振动，控制后的均⽅根振动幅值降低了55%以上。这说明多层叠堆压电陶瓷对振幅较⼤振动的控制效果显著。
1.3 压电纤维复合材料
虽然压电陶瓷在振动控制⽅⾯取得了较好的效果，但是韧性⼩、脆性⼤的特点使得其应⽤范围受到限制。随着机械结构的复杂化和多样化，柔性成为压电材料的重要考量指标之⼀。压电纤维复合材料是指将压电纤维和树脂基体按⼀定⽐例、⼀定空间分布及连通⽅式复合在⼀起的⼀种压电材料，其组成包括压电陶瓷纤维层、交叉指型电极和聚合物基体三个部分，兼具有压电陶瓷和压电聚合物的优点。压电纤维复合材料可以黏结在各种类型的结构中或嵌⼊到复合结构中，在外加电压作⽤下弯曲或扭曲结构以产⽣或抵消振动，⽆外加电压时则可作为应变计来感知变形、噪声和振动。与传统压电陶瓷相⽐，树脂基体的保护作⽤使得复合材料在较⼤程度上克服了压电陶瓷在韧性⽅⾯的缺陷，从⽽具有极好的柔韧性和压电特性。
压电纤维的性能在很⼤程度上影响着复合材料的性能。美国先进材料公司通过纺丝法制备出直径15~250 µm的PZT - 5A 压电纤维，压电常数为375 pC·N -1 ，同时还制备出了各种不同内外径的中空纤维和截⾯为腰果状的纤维；该⽅法可以⽤于⼯业化的连续⽣产，特别适合制备直径⽐较⼩的纤维，
不过其⼯艺较为复杂，对设备要求⾼。李坤等应⽤溶胶-凝胶法制备了直径约25 µm的锌铌酸铅-锆钛酸铅（PZN - PZT）凝胶纤维，通过添加体积分数约63%的PZN - PZT纤维制备了压电纤维复合材料，其压电常数为403 pC·N -1 ，机电耦合系数为0.65；溶胶—凝胶法⼯艺简单，但是由于溶胶中陶瓷固含量低，所得纤维的致密性不好，并且拉丝过程中纤维形状难以控制。NASA Langley研究中⼼采⽤25~75 µm厚的⼑⽚对125~225 µm厚的PZT陶瓷板进⾏了机械切割，得到宽度约200 µm、长度8~9 cm的致密PZT陶瓷纤维。机械切割法得到的压电纤维的宽度最⼩达到75 µm，与其他⽅法相⽐，压电纤维的致密性能更好、尺⼨更均匀。但是机械切割法对机械加⼯技术要求很⾼，难以⼤规模推⼴应⽤，并且原材料浪费严重。
与压电陶瓷⽚相⽐，压电纤维复合材料因具有轻薄、可进⾏⼤幅度弯曲和扭转、易于粘贴到包括曲⾯在内的多种⼯作表⾯上、⼯作温度⾼达450 ℃等优点，尤其适合应⽤于航天器刚柔耦合结构中。美国弗吉尼亚理⼯⼤学智能材料系统中⼼与加州理⼯⼤学喷⽓推进实验室联合开展了⽤压电纤维复合材料（MFC）控制可展开、可固化桁架结构振动状态的研究，4⽚MFC驱动器内嵌于复合物基底部位，采⽤“正位置反馈”（Positive PositionFeedback，PPF）闭环控制系统获得了优异的振动控制效果，桁架结构的第⼀阶弯曲模态振动响应的最⼤衰减可达92.8%，其中速度和加速度信号的PPF控制系统只需较⼩的电压就能获得很好的振动控制效果。
1.4 0-3型压电复合材料
对于⼀些结构复杂、环境敏感度要求较⾼的系统，采⽤压电陶瓷⽚等振动主动控制⽅案的效果没有达到预期，需要⽤⽆源化的振动被动控制系统加以辅助。0-3型压电复合材料是振动被动控制系统的代表材料，该复合材料由压电陶瓷增强
源化的振动被动控制系统加以辅助。0-3型压电复合材料是振动被动控制系统的代表材料，该复合材料由压电陶瓷增强相与热塑性聚合物基体相组合⽽成，兼具有陶瓷和聚合物材料的优点，如压电系数⾼、韧性及延展性好、便于成型、密度低、声阻抗易于匹配、适⽤环境⼴等。在0-3型压电复合材料中，压电陶瓷相以0维⽅式⾃连，聚合物相以3维⽅式⾃连，互不相连的压电陶瓷颗粒分散在3维⾃连的聚合物基体中。⽬前，有关0-3型PZT / 环氧树脂压电复合材料性能的研究较多。EGUSA等制备了由PZT陶瓷粉末和环氧树脂制成的压电复合材料涂层，发现复合材料的极化⾏为与基体和压电增强相之间的电导率密切相关。NHUAPENG等制备了0-3型混合1-3型PZT / 环氧树脂压电复合材料，其压电常数d 33 可以达到25.3 pC·N -1 ，机电耦合系数达到0.54，并且具有与⼈体组织相近的阻抗。张洪涛等则研究了0-3型PZT/环氧树脂复合材料的制备⼯艺及性能。
0-3型压电复合材料中含有的导电相可以将外部作⽤的机械振动能量通过材料内部压电相及⾃⾝体积电阻转化成热量进⾏耗散，从⽽产⽣耗散机械能量、抑制振动的压电阻尼效应，因此在振动控制领域具有极⾼的应⽤价值。秦岩等将添加了压电陶瓷颗粒的压电复合材料应⽤于船舶承⼒轴承的减振中，取得了明显的减振效果。TANIMOTO和KIM等制备了层间含压电陶瓷颗粒增强相的碳纤维复合材料，结
果表明该材料在保留原有碳纤维复合材料⼒学性能的基础上，阻尼性能得到了明显提⾼，这扩展了0-3型压电复合材料作为阻尼材料的应⽤范围。
2 振动控制⽤压电材料的研究⽅向
压电材料凭借其独有的机电转换特性以及具有的⼯作频率宽、响应快和性能稳定等优势在振动控制领域得到⼴泛应⽤。然⽽，⽬前⼤规模使⽤的压电材料仍主要为铅基压电陶瓷，该陶瓷在制备过程中会产⽣较⼤污染。此外，成型模具的开发和较⾼的烧结温度是⽬前压电陶瓷制造成本居⾼不下的原因。因此，振动控制⽤压电材料的研究⽅向应主要集中在以下⼏个⽅⾯。
（1）复杂结构压电陶瓷的快速成型。快速成型技术不需模具，能直接制造出形状复杂的陶瓷器件，从⽽⼤⼤提⾼压电陶瓷的⽣产效率。
病历夹（2）铅基压电陶瓷的低温烧结技术。⽬前，铅基陶瓷的低温烧结技术还不能彻底解决铅挥发问题，应进⼀步优化其组分及烧结⼯艺，在保证材料优异性能的同时降低烧结温度，从⽽减少铅的挥发，有利于环境保护。
（3）发展性能优异的⽆铅系列压电陶瓷。深⼊研究⽆铅系列压电陶瓷，通过选择适合的掺杂材料，提升陶瓷性能，从⽽实现对铅基陶瓷的替代。
（4）多层叠堆压电陶瓷的可靠性研究。压电陶瓷在持续振动下产⽣电荷，任何微⼩缺陷（微裂纹、分层）或者是微裂纹在压电器件运动时的扩展都会对压电式电源的寿命产⽣很⼤的影响。微裂纹、分层等缺陷对多层叠堆压电陶瓷压电性能的影响机制研究是该陶瓷可靠性研究的关键。
（5）压电复合材料的配⽅优化。压电复合材料中各相成分和⽐例的不同以及联通⽅式的不同均会在很⼤程度上影响材料的性能。选⽤何种成分并实现最佳匹配，采⽤何种复合⽅式以实现最⾼效率是未来重要的研究内容。竹炭纤维袜
3 结束语
压电材料具有独特的机电转换特性，只需匹配适宜的控制策略就能在振动控制领域发挥巨⼤作⽤。单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料和0-3型压电复合材料等4种振动控制⽤压电材料，依据各⾃不同的特点在相应的振动场合得到了⼴泛应⽤。不过，振动形式的复杂多样性在⼀定程度上制约了压电材料的减振效果。为了获得更好的减振效果，灵活性好、可靠性⾼、适应性强的压电材料的研制受到了越来越多学者的重视。此外，基于模型的反馈性控制策略在应对复杂的⾮线性振动系统时会受到极⼤的限制，⽽神经⽹络等具备动态调节能⼒的控制策略在⾮线性振动系统的辨识与控制⽅⾯具有极⼤的潜⼒，是未来研究的主要发向。
7⽉24⽇⾄26⽇，由麦姆斯咨询主办的『“见微知著”培训课程：压电MEMS与传感器』在⽆锡开课，主
要内容包括：（1）压电材料体系知识；（2）射频滤波器：SAW和BAW滤波器（含FBAR）；（3）基于压电MEMS超声换能器（PMUT）的指纹传感器和飞⾏时间（ToF）传感器；（4）SAW传感器和SAW微流控；（5）压电执⾏器：压电MEMS微镜、压电MEMS变形镜、压电MEMS微振动台和压电MEMS马达；（6）压电薄膜制备⼯艺详解：氮化铝（AlN）薄膜和锆钛酸铅（PZT）薄膜；（7）压电MEMS器件设计与仿真。
