基于压电超声与振动传感方法的陶瓷砖声学及弹性特性研究

《Current Applied Physics》：Investigation on acoustic and elastic characteristics of ceramic tiles using piezoelectric ultrasonic and vibration sensing methods

　　

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  压电传感器针对陶瓷砖的超声波脉冲试验进行了专门设计。
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  采用超声波法和共振法测定了动态弹性模量。
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  利用有限元模态分析验证了陶瓷砖的振动响应。

引言

陶瓷材料在现代经济和社会中发挥着重要作用，已广泛应用于电子、机械、航空航天和医疗等多个领域。通常，陶瓷具有高强度、高硬度、耐腐蚀和优异化学稳定性等优势。然而，陶瓷也存在一些缺点，如断裂韧性低、抗冲击性能差和损伤容限有限等。因此，开发先进的陶瓷材料性能测试与评估方法，以全面了解其力学性能和服役可靠性，具有重要意义。

弹性模量反映材料的刚度，是评价材料抗弹性变形能力的重要指标。陶瓷的弹性模量与其内部组成、密度、晶界特征、断裂特性以及抗弯强度密切相关[[1]，[2]，[3]，[4]]。已有大量研究探讨了弹性模量与陶瓷其他性能之间的关系。Sun等人[5]开发了一种反演方法，通过超声波回波反射技术结合Christoffel方程来确定Al₂O₃涂层的弹性常数。Foschini等人[6]提出了一种新的变形能方法来测量陶瓷的弹性模量。Zhou等人[7]通过三点弯曲结合数字图像相关方法，对ZrO₂掺杂的YTaO₄陶瓷进行了高温力学性能的原位测量。Zhao等人[8]研究了温度暴露对固体氧化物燃料电池用玻璃陶瓷密封件的弹性模量、硬度和断裂韧性的影响。众所周知，弹性模量在陶瓷成分设计、宏观性能控制以及服役安全保障中起着重要作用。然而，传统破坏性测试方法在样品制备、成本控制和设备要求方面存在很大局限性。因此，开展陶瓷弹性模量的无损检测与评估具有重要意义。

目前测量弹性模量的方法包括静态法、动态法和纳米压痕法。静态法依据弯曲试验中的应力-应变关系进行测量。Kavashima等人[9]测试了牙科用氧化钇四方氧化锆多晶（Y-TZP）陶瓷的静态和动态弹性模量，发现基于三点弯曲试验的Y-TZP静态弹性模量大于通过冲击激励法测得的有效动态弹性模量。Zhang等人[10]利用单轴准静态压缩试验研究了增材制造Al₂O₃陶瓷板-点阵结构的抗压强度和弹性模量。Zheng等人[11]研究了氧化铝陶瓷在单轴压缩和压-剪载荷下的应变率相关压缩及压-剪响应。静态法适用于各向同性或简单各向异性材料的标准试验。但其缺点是，由于拉伸时小缺陷容易导致脆性断裂，且通常需要特殊夹具和高精度加工技术来减少应力集中。纳米压痕法利用小型压头压入材料表面，通过压头的载荷和压入深度来确定弹性模量。Xiao等人[12]利用压痕法提取陶瓷材料的弹性模量，并提出了一种有效的压痕法做功比。Leggoe[13]利用纳米压痕法测定了碳化硅颗粒和MicralTM微球的弹性模量。Nakamura等人[14]利用纳米压痕法研究了各种双晶材料单晶界附近的局部力学响应。纳米压痕法适用于表征陶瓷、薄膜和复合材料微小区域的力学性能。然而，该方法也存在尺寸效应和仪器成本高等局限性。动态法基于材料在振动或超声波作用下的动态响应，包括共振频率法[[15]，[16]，[17]]和超声波脉冲法[[18]，[19]，[20]]。例如，Lin等人[21]探讨了再生混凝土动态弹性模量与抗压强度之间的关系，并提出了一种将静态（E_c）和动态（E_d）弹性模量联系起来的经验方程。Savio等人[22]利用超声波脉冲试验测定了混凝土的抗压强度和弹性模量。Sarro等人[23]利用超声波测试方法研究了岩石和几种建筑材料的弹性参数，得出静态（E_st）和动态（E?_s）弹性模量相似的结论，均处于1.25至2.50 GPa的可比范围内。Carrillo等人[24]利用直接法和半直接超声波脉冲速度试验，提出了估算钢纤维、合成纤维和混杂纤维增强混凝土动态弹性模量的经验关系。他们揭示了纤维类型和体积含量均影响动态弹性模量和泊松比。

弹性模量是建筑材料的关键力学参数，是评估材料适用性和结构稳定性的关键指标[[25]，[26]，[27]]。陶瓷砖的弹性模量已知与孔隙率、二次包含相和裂纹取向等关键微观结构特征相关。因此，通过无损方法测定的准确动态弹性模量为脆性陶瓷砖的性能评估提供了有价值的信息。本文提出了一种专为测量薄瓷砖动态弹性模量而设计的压电超声传感器。然后，基于Lamb波的相速度提出了一种动态弹性模量的测定方法。此外，建立了振动响应测试装置，通过共振频率法测定动态弹性模量。同时，进行了有限元模态分析以验证实验振动结果并进行对比。最后，通过三点弯曲试验测定了静态弹性模量，并讨论了其与动态弹性模量之间的相关性。

章节摘要

压电超声传感器的制备

压电超声发射和接收传感器分别采用PZT压电陶瓷和1-3型压电复合材料作为敏感元件制备而成。1-3型压电复合材料以PZT压电陶瓷为功能组分、环氧树脂为基体，通过切割-浇铸法制备。详细的制备工艺可参见我们之前的研究[28]。此处，PZT陶瓷和1-3型压电复合材料的尺寸

声学特性分析

图7展示了利用图3(a)中的透射法获取的Lamb波的时域波形。可以看出，接收波由多个波包组成，且波形持续时间较长，表明陶瓷砖具有良好的结构致密度。此处，板波速度C_plate（定义为有效初达波速度）由已知的传播长度和第一个波包的到达时间计算得出。

瓷砖的

结论

本研究开发了以压电陶瓷和1-3型压电复合材料为敏感元件的压电超声传感器，用于评估陶瓷砖的声学和弹性性能。通过共振频率法和超声波脉冲法获得了薄瓷砖的动态弹性模量。结果表明，密度超过2200 kg m^-3的瓷砖表现出大于的

数据可用性

支持本研究结论的数据可应合理请求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

我们声明，本研究不存在任何潜在的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助号52278260）、山东省中小企业科技创新能力提升项目（2025TSGCCZZB053）以及临沂市岚山区科技创新发展计划项目（资助号202424）的资助。

徐东宇|侯传伟|孙亚林|胡艳|陈强