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【编辑推荐】为优化柔性压电复合材料（FPC）传感与驱动性能，研究人员构建介观尺度 RVE 模型，分析陶瓷纤维体积分数、电极宽度及间距等参数影响。发现 75% 纤维体积分数、0.1mm 电极间距和 0.01mm 电极宽度时性能最优，为 FPC 设计提供理论依据。
在智能材料领域，柔性压电复合材料（Flexible Piezoelectric Composites, FPC）凭借独特的压电效应和柔韧性，在振动控制、结构健康监测等领域展现出广阔应用前景。然而，其传感与驱动性能受陶瓷纤维体积分数、叉指电极（Interdigitated Electrodes, IDE）宽度与间距等参数的复杂影响，如何平衡性能与柔韧性成为研究难点。例如，传统均匀场模型忽略电极参数对电场分布的非均匀影响，导致无法精准优化组件参数。为解决这一问题，研究人员开展了 FPC 组分参数优化及其对机电性能影响的深入研究，相关成果发表在《Extreme Materials》。
国内研究团队通过构建介观尺度代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）模型，结合有限元分析，系统探究了 FPC 组件参数与材料性能（如电应变系数、介电耦合系数、柔度矩阵）的关系。研究针对 D33 和 D31 两种类型的 FPC，分析了陶瓷纤维体积分数（60%-80%）、电极间距（0.65-2mm）和宽度（0.01-0.15mm）对电场分布、极化效果及机电耦合特性的影响。
关键技术方法
研究主要采用多尺度分析方法，通过 COMSOL 构建 RVE 模型，模拟不同参数下的电场分布与力学响应。基于周期性边界条件，分析 FPC 的压电本构关系，结合混合规则计算等效材料参数，如弹性模量、压电常数（d31、d33）和介电常数（ε11、ε33），并通过应变与应力分布验证参数优化效果。
研究结果
3. 纤维体积分数对机电性能的影响
- 压电性能提升与柔韧性平衡：随着陶瓷纤维体积分数增加，FPC 的压电常数（d33、d31）和介电常数增大，应变响应增强。但体积分数超过 75% 后，材料刚度显著上升，柔韧性下降。当体积分数为 75% 时，压电常数与柔度达到平衡，机电能量转换效率最佳。
- 模式差异：D33-FPC 的压电常数高于 D31-FPC，相同电压下应变输出更高，但两者均呈现非线性应变响应特征。
4. 电极几何参数对电场分布的影响
- 间距的双重作用：增大电极间距可扩大均匀极化区比例，提升有效电场范围，但会减少电极数量。D33 和 D31-FPC 的最优间距均为 0.1mm，此时均匀极化区比例与电场强度达到最佳匹配。
- 宽度的应力调控：增加电极宽度可缓解电极与压电层界面的应力集中，降低断裂风险。当间距为 0.1mm 时，最优电极宽度为 0.01mm，应力集中现象显著改善。
结论与讨论
研究表明，FPC 的最优组件参数为：陶瓷纤维体积分数 75%、电极间距 0.1mm、电极宽度 0.01mm。该组合在保证良好柔韧性的同时，最大化提升了传感与驱动性能。RVE 模型揭示了电极参数通过影响电场分布（如死区与均匀极化区比例）调控性能的机制，为 FPC 的定制化设计提供了关键理论依据。此研究突破了传统均匀场模型的局限性，建立了多参数协同优化方法，对推动 FPC 在航空航天、智能器件等领域的应用具有重要意义，为下一代柔性传感器与执行器的开发奠定了基础。
