PZT体积分数与厚度对1-3型水泥基压电复合材料机电阻抗谱的协同影响研究

《Results in Engineering》：Effects of piezoelectric ceramic volume fraction and composite thickness on the electromechanical impedance spectra of 1-3 cement-based piezoelectric composites

本研究针对1-3水泥基压电复合材料(1-3 CBPCs)在嵌入式结构健康监测(SHM)传感器应用中的优化设计问题，系统探究了PZT体积分数(Pvf)和复合材料厚度(Ct)对其机电阻抗谱、机电耦合系数(kt)及机械品质因子(Qm)的影响规律。结果表明，通过调控Pvf和Ct可实现复合材料性能的定向优化，为开发高性能嵌入式SHM传感器提供了关键理论依据与设计指南。

　　

在现代土木工程领域，确保桥梁、大坝、高层建筑等关键基础设施的安全性与耐久性是一项重大挑战。结构健康监测（SHM）系统如同给基础设施装上了“听诊器”，能够实时感知其“健康状况”，从而实现预测性维护，避免灾难性事故的发生。在众多监测技术中，基于压电材料的机电阻抗（EMI）技术因其对微小结构损伤的高灵敏度、主动传感能力以及无线化潜力而备受青睐。然而，常用的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷虽然性能优异，但其高声阻抗和固有的脆性，与混凝土、钢材等土木工程常用材料之间存在显著的机械和声学失配，这就像试图用坚硬的金属听头去听柔软的人体内部声音，能量传递效率低下，信号强度受损。

为了克服这一瓶颈，1-3型压电复合材料应运而生。这种材料将排列整齐的PZT陶瓷棒嵌入三维连通的基体中。当基体为聚合物时，虽能改善匹配，但对于混凝土结构的嵌入式监测而言，最理想的基体材料莫过于水泥基材料本身。1-3型水泥基压电复合材料（1-3 CBPCs）因其与混凝土基体近乎完美的声阻抗匹配、卓越的机械结合和应力波传输能力，被视为嵌入式传感器的理想候选材料。尽管1-3 CBPCs的可行性已被证实，但其几何参数（如PZT体积分数和复合材料厚度）如何协同影响其核心机电响应性能，仍是一个亟待厘清的关键科学问题，这严重阻碍了针对特定SHM应用需求的复合材料优化设计。

为了填补这一知识空白，来自武汉大学水资源工程与水电工程科学国家重点实验室的马永丽、张玉杰、张晓波、姚驰、杨建华、叶志伟和蒋庆辉等研究人员在《Results in Engineering》上发表了一项研究，系统性地揭示了PZT体积分数（P_vf）和复合材料厚度（C_t）对1-3 CBPCs性能的协同影响规律。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几项关键技术方法：首先，采用精密切割填充技术制备了具有不同PZT体积分数（29.4%, 35.6%, 41.3%）和不同厚度（1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0 mm）的1-3 CBPCs样本。其次，利用阻抗分析仪测量了所有样本的机电阻抗谱。最后，基于阻抗谱数据，提取并计算了共振频率（f_r）、反共振频率（f_a）、有效厚度模式机电耦合系数（k_t）和机械品质因子（Q_m）等关键性能参数，并建立了这些参数与P_vf和C_t之间的响应面模型，以量化其协同效应。

3.1. 阻抗谱结果与分析

通过分析阻抗谱，研究人员发现共振频率（f_r）和反共振频率（f_a）的变化趋势复杂且非单调。当厚度固定时，f_r和f_a随P_vf的增加常呈现先下降后上升的“U”型趋势。这主要归因于复合材料有效刚度、密度以及PZT支柱纵横比等竞争效应的共同影响。当P_vf固定时，f_r和f_a随厚度变化的趋势因PZT含量不同而异，表明了强烈的参数交互作用。阻抗幅值（Z_r和Z_a）则主要受厚度控制，其绝对值随厚度增加而显著增大，但同时受P_vf调制，反映了不同的能量耗散和机电耦合效率。研究人员还建立了f_r, f_a, Z_r, Z_a关于P_vf和C_t的响应面模型，为性能预测提供了量化工具。

3.2. 机电耦合系数k_t结果与分析

机电耦合系数k_t是衡量能量转换效率的关键指标。研究结果显示，k_t值与P_vf和C_t均呈正相关关系。在固定厚度下，k_t随P_vf增加而显著提升，这是因为更高的PZT含量增强了整体的压电活性。在固定P_vf下，k_t随C_t增加而增大，这归因于PZT支柱纵横比提高，减弱了周围水泥基体的横向约束，从而更有利于厚度方向上的振动，提升了能量转换效率。P_vf为41.3%的复合材料在所有厚度下均表现出最高的k_t值，表明其在需要高灵敏度传感的应用中具有最大潜力。

3.3. 机械品质因子Q_m结果与分析

机械品质因子Q_m反映了材料的机械阻尼特性。与k_t的趋势相反，Q_m表现出复杂的变化规律。当厚度固定时，Q_m与P_vf呈非单调关系，在中间值35.6%处达到峰值。这体现了PZT相（低损耗）和水泥基体（高损耗）对机械阻尼的竞争效应：P_vf过低时，水泥基体主导，阻尼大，Q_m低；P_vf过高时，PZT支柱间界面效应可能引入新的能量耗散机制，导致Q_m下降。当P_vf固定时，Q_m随C_t增加而明显下降，这是因为更厚的复合材料提供了更长的波传播路径和更大的振动体积，增加了能量损耗的概率。

本研究通过系统的实验设计和分析，清晰地揭示了1-3 CBPCs的性能与PZT体积分数和复合材料厚度之间存在的复杂耦合关系。研究结论指出，k_t和Q_m这两个关键性能参数对P_vf和C_t的响应趋势存在内在的权衡关系：追求高灵敏度（高k_t）需要高P_vf和较大C_t，而追求高频率分辨率和稳定性（高Q_m）则需要中等P_vf（约35.6%）和较小C_t。因此，不存在适用于所有SHM应用场景的普适最优设计。这项研究的重要意义在于它提供了定量的设计指南和响应面模型，使研究人员和工程师能够根据具体的应用需求（例如，优先考虑高灵敏度还是高频率分辨率）有针对性地选择P_vf和C_t，从而实现1-3 CBPCs性能的定制化优化，推动下一代嵌入式结构健康监测系统的发展。