第五章 1-3型正交异性压电复合材料性能分析
5.1 正交异性压电复合材料的研究进展
单一的压电材料由于它是在厚度方向（极化方向）相垂直的电极平面产生电场利用横向
压电应变常数在两个非极化方向上产生各向同性的平面驱动应变，因此它具有平面内压
电各向同性之特性，用作驱动元件它也不能够在特定的方向产生较强的驱动力。然而，目前
压电复合材料的研究和应用亦仅仅只注重于改善单一压电材料的机械特性以及一些电学参
数等方面的工作，而仍然保留着压电材料横观各向同性的特性。因此，如何利用压电复合材
料的设计自由度大的特点，构造出具有压电正交异性之特性的压电复合材料，进而利用这个
特性更好地感受智能材料结构内外的各种信息一直是研究的热点。
1991年Smith，Auld，1993年Hagood，Bent，研究了压电纤维复合材料（PFC），它的
主要优点是正交异性和各向异性的驱动能量。1990年Ehlers，Weisshaar对压电各向异性诱

导应变的研究，认为有两种各向异性：一是力学/刚度各向异性（）；二是压电/自

由应变各向异性（），1992年他们在经典的存扭转散度和存弯变形曲概念的基础上
研究了静态气动弹性形变行为，并且集中研究了在静态空气弹性形变的控制行为适应材料特
性参数的函数的可行性，通过使用精确解，各向异性压电导出应变可应用在静态空气弹性形
变的控制领域。1992年Barrett对4种材料—结构系统（PZT、PVDF、PFC以及DAP）进行了
研究，从而证实了适应性材料具有不同的作用性能和效力，并且论述了定向粘贴的压电体
（DAP）和增强的DAP（EDAP）是正交各向异性的，因而在没有拉伸应变和弯曲应变的情况
下，照样能产生剪切应变和扭矩，通过对DAP和EDAP的实验，证实了它们性能比CAP的性
能要好得多（扭矩提高了16倍之多），DAP元件被认为是仅具有刚度各向异性，而这一技术

仍然仅仅是利用了单一压电陶瓷的横向压电常数，即DAP元件的驱动能力与单一压电陶
瓷的驱动能力相当。1993年Hagood和Bent研究使用PFCs的复合材料层合板结构，1993—
1995年Bent，Rodgers和Hagood用Rayleigh-Ritz近似法对内部齿状电极技术即（IDE技术）
进行了模拟研究并与压电纤维复合材料结合应用于智能材料结构，产生了各向异性控制的方
法，该方法使结构中的横向压电效应和纵向压电效应一样大。在建立模型方面Haood等人
（1996年）认为如果使用了非线性力学和材料学的有关性质，那么该模型的性能可以进一
步提高。
综合上述各方面的研究成果可知，构成各向异性驱动元件的压电材料及其相关技术主要
为以下几种：其一是采用特殊的粘贴技术（DAP/EDAP），利用了使宿主构件材料的力学/刚
度产生各向异性而形成了正交各向异性，它的有点是仍然采用了单一压电陶瓷材料，操作方
便，但是继承了单一压电材料的所有缺点，仅利用了压电材料的横向压电特性（纵向压电常
数远大于横向压电常数）；其二是采用IDE电极技术，这一技术的有点是利用了纵向压电常
数高的有点，驱动器产生了与同样单一的材料（PZT型）驱动器不同的诱导应变及驱动能力，
构造出正交异性压电之特性。它的极化方向实际上是沿着元件的几何轴向，但是仍然采用了
单一的压电陶瓷材料，且在电极附近的电场既非均匀也非线性，同时没有能够克服单一的压
电材料具有脆性大、经受不起机械冲击和非对称性载荷的作用的缺点；其三是研究了压电纤
维复合材料（PFC）技术。压电纤维复合材料的引入是为了减少把单片压电陶瓷用作驱动器
所必然的一些弊端。通过使内置的薄片状电极来产生施加到驱动复合材料上的电场，其极化
方向仍然沿着层板的厚度方向。实验结果表明，当复合材料的压电诱导应变比是0.52，刚度
的各向异性是0.18，且沿着纤维方向最大的自由应变不变时，PFC驱动器的驱动能力与单片
压电陶瓷相同。