某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉後，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。
相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉後，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現象。依據電介質壓電效應研製的一類感測器稱為壓電感測器。
壓電材料由於具有響應速度快、測量精度高、效能穩定等優點而成為智慧型材料結構中廣泛應用的感測材料和驅動材料。但是，由於存在明顯的缺點，在實際應用中收到了極大的限制。例如，壓電陶瓷的脆性很大，經不起衝擊和非對稱受力，而且其極限應變小、密度大，與結構粘合後對結構的力學效能會產生較大的影響。
壓電聚合物雖然柔順性好，但是它的使用溫度範圍小，而且其壓電應變常數較低，因此作為驅動器使用時驅動效果差。為了克服上述壓電材料的缺點，人們開發了壓電複合材料。由於壓電複合材料不但可以克服壓電材料的缺點，而且還兼有有機高分子與無機材料兩者的優點，甚至可以根據使用要求設計出單項壓電材料所沒有的效能，因此越來越引起人們的重視。
。壓電複合材料的特性以及各種效能主要由各項材料的連通方式決定。按照各相材料的連通方式，壓電材料可以分為10種基本型別，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、2-1、2-2、2-3、1-3、3-3型。
迄今為止，壓電複合材料的發展已有20多年的歷史，2023年，newnham首次提出了壓電複合材料的概念，並開始研究壓電複合材料在水聲中的應用，研製成功了1-3型壓電複合材料。在此基礎上美國史丹福大學的auld等人建立了pzt柱週期排列的1-3型壓電複合材料的理論模型，並分析了其中的橫向結構模型；紐約菲利普斯實驗室的w.a.
smith等人用1-3型壓電複合材料做成了用於醫學影象處理的超聲換能器，取得了較好的效果。在隨後的數年中，許多國家的科研機構也相繼開展了壓電複合材料的研究工作。
雖然壓電複合材料的研究和應用已取得了很大的進展，但是從總體來看，還很不成熟，正處於發展階段。首先，作為一種功能材料，其應用範圍還很狹窄，根據目前的研究**和報道來看，其應用主要集中在超聲檢測領域，而在其他的領域的應用則幾乎未見報道，因此，如何拓寬壓電複合材料的應用應該是當前的乙個研究方向。其次，從目前的研究狀況來看，還沒有建立一套完整的壓電複合材料的力-電耦合理論及微觀力學模型，使人們對於如何根據工程應用來設計壓電複合材料缺乏必要的理論依據，因此，根據壓電複合材料的力學電學特性及損傷、破壞機制建立正確的力-電耦合理論及微觀力學模型是目前壓電複合材料研究領域中的乙個熱門話題，另外，由於智慧型材料結構以成為目前材料界發展的乙個重要的方向，而壓電複合材料由於效能優良且具有可設計性，這使得它必然會成為只能是材料結構中的首選感測材料甚至驅動材料，因此，研究壓電複合材料在智慧型結構材料的應用也是其發展的乙個重要方向。
壓電複合材料有10中基本型別，但是綜合性能較好、最適合在智慧型材料結構中應用的壓電複合材料主要有0-3型、1-3型、3-3型。
1）1-3型壓電複合材料是由一維的壓電陶瓷柱平行於排列於三維連通的聚合物中而構成的兩相壓電複合材料。在1-3型壓電複合材料中，由於聚合物相得柔順性遠比壓電陶瓷相好，因此當1-3型壓電複合材料受到外力作用時，作用於聚合物相的應力將傳遞給壓電陶瓷相，造成壓電陶瓷相得應力放大；同時，由於聚合物相的介電常數極低，是整個壓電複合材料的介電常數大幅降低。這兩個因素綜合作用的結果是壓電複合材料的壓電電壓常數g得到了較大幅度的提高，並且由於聚合物的加入使壓電複合材料的柔順性也得到了顯著地改善，從而使材料的綜合性能得到了很大的提高。
在1-3型壓電複合材料中，壓電陶瓷的體積分數φ是影響其效能的乙個重要引數。一些實驗結果表明：隨著φ的增加，壓電複合材料的壓電常數幾乎呈線性增加，當φ＞40%時增幅趨於平緩並接近與壓電陶瓷的壓電常數，而壓電複合材料的介電常數則幾乎隨著φ的增大而一直呈線性增加。
另外，壓電陶瓷柱的形狀引數ω/t的增大，壓電複合材料的介電常數呈上公升趨勢。
1-3型壓電複合材料的製作方法一般採用兩種基本方式，即排列澆鑄法和切割澆鑄法。排列澆鑄法是較早採用的一種製作方法，這種方法是將壓電陶瓷棒是先在莫班上插排好，然後向其中澆注聚合物，固化之後再經切割成片、鍍電極、極化及形成1-3型壓電複合材料；切割澆鑄法是沿與壓電陶瓷塊極化軸相垂直的兩個水平方向上通過準確的切割，在陶瓷塊上刻出許多深槽，然後在槽內澆注聚合物，固化之後將剩餘的陶瓷基體切除掉，經鍍電極、極化之後即形成1-3型複合材料。另外，為了進一步提高壓電複合材料的壓電電壓常數g，lynn等人還開發了1-3-0型壓電複合材料。
這種壓電複合材料是在1-3型複合材料的基礎上引入一些氣孔來減弱聚合物相的泊松耦合效應，從而使壓電陶瓷相的應力放大作用得到進一步的增強。
雖然1-3型壓電複合材料的壓電應變常數d和機電轉換係數k低於壓電陶瓷，但是它的壓電電壓常數和柔韌性卻得到了明顯的改善。
2）0-3型壓電複合材料市值在三維連通的聚合物基體中均勻填充壓電陶瓷顆粒而形成的壓電複合材料。在0-3型壓電複合材料中，壓電陶瓷想呈顆粒狀均勻分布，因此它的電場通路的連通性明顯差於1-3型壓電複合材料，而且使得複合材料中形不成壓電陶瓷相的應力放大作用。這樣，同純壓電陶瓷和1-3型壓電複合材料相比，0-3型壓電複合材料的壓電變常數d就要低得多；但是，由於0-3型壓電複合材料的介電常數極低，因此它的壓電電壓常數g仍然較高，而且它的柔順效能也遠比壓電陶瓷的好，因此其綜合性能要優於純壓電材料。
0-3型壓電材料的製作工藝：首先將壓電陶瓷製成粉末狀，然後將陶瓷粉末與聚合物混合均勻並加入適量的熔劑攪拌均勻，待有機溶劑完全揮發後模壓成型，再經固化、切割、鍍電極、極化之後即形成0-3型壓電複合材料。
影響0-3型壓電複合材料效能的引數較多，其中，壓電陶瓷的體積分數φ是乙個重要的引數，研究表明，當φ＜60%時，複合材料的壓電常數極低，只有當φ超過60%時複合材料的壓電常數才會迅速增加。但是，如果φ值過大，複合材料難以成型，因此，理想的φ值約為60%-70%。φ對複合材料的介電常數ε也有較大的影響，隨著φ的增大，ε幾乎線性地增大。
同1-3型壓電複合材料相比，0-3型壓電複合材料的壓電應變常數d和壓電電壓常數g不高，但是其柔韌性更好，而且與pvdf相比，其綜合性能不相上下，但是其製備工藝卻更簡單，成本也更低，更適合批量生產。因此，0-3型壓電材料是一種在效能上可以替代壓電陶瓷和pvdf而製造成本卻更低的新型壓電感測材料，將來必然會在只能材料結構中得到廣泛應用。
3）3-3型壓電複合材料是指聚合物相和壓電相在三維空間內相互交織、相互包絡各自形成的一種空間網路結構，一般聚合物相採用環氧樹脂或者矽橡膠。這種3-3型壓電複合材料與傳統的實心壓電陶瓷相比，具有很多的優點。首先，3-3型壓電材料的靜水壓靈敏度特別高。
其次，3-3型壓電複合材料具有較低的體積密度，當pzt陶瓷相的體積分數為50%時，3-3型複合材料改善了它與水之間的聲阻抗率匹配和耦合。
一般3-3型壓電複合材料採用burps（有機物燒去法）工藝製備，其步驟是：將塑料球粒與壓電陶瓷粉末在有機粘結劑中均勻混合，燒結後形成多孔陶瓷框架網路；然後再填充聚合物，經固化、磨平、上電極後即形成3-3型壓電複合材料。
換能器是將機械振動轉變為電訊號或在電場驅動下產生機械振動的器件 。
壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應，而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶元或壓電單晶元在外電場驅動下的彎曲振動，利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點，研製運用其它現行技術難以實現的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗雜訊**、寬頻超聲訊號發射系統等。
壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準軍事應用，如用於水下探測的大面積感測器陣列和監視系統等，隨後應用領域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試裝置等方面。為滿足特定要求而開發的各種原型水聲器件，採用了不同型別和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發揮壓電聚合物高彈性、低密度、易於製備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水數量級相同等特點，最後乙個特點使得由壓電聚合物製備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內的聲壓，且不致由於其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內的瞬態振盪，從而進一步增強壓電聚合物水聽器的效能。
壓電聚合物換能器在生物醫學感測器領域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應用、pvdf薄膜優異的柔韌性和成型性，使其易於應用到許多感測器產品中。
壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶元作為基礎，包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式，基於聚合物雙晶元開展的驅動器應用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。要使這些創造性設想獲得實際應用，還需要進行大量研究。電子束輻照p（vdf-trfe）共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力，從而為研製新型聚合物驅動器創造了有利條件。
在潛在國防應用前景的推動下，利用輻照改性共聚物製備全高分子材料水聲發射裝置的研究，在美**方的大力支援下正在系統地進行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優異特性，研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用，還需要進行大量的探索。
壓電式壓力感測器是利用壓電材料所具有的壓電效應所製成的。壓電式壓力感測器的基本結構如右圖所示。由於壓電材料的電荷量是一定的，所以在連線時要特別注意，避免漏電。
壓電式壓力感測器的優點是具有自生訊號，輸出訊號大，較高的頻率響應，體積小，結構堅固。其缺點是只能用於動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。
壓電元件一般由兩塊壓電晶元組成。在壓電晶元的兩個表面上鍍有電極，並引出引線。在壓電晶元上放置乙個質量塊，質量塊一般採用比較大的金屬鎢或高比重的合金製成。
然後用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質量塊預加載荷，整個元件裝在乙個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應變傳送到壓電元件上去，避免產生假訊號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來製造，殼體和基座的重量差不多佔感測器重量的一半。
測量時，將感測器基座與試件剛性地固定在一起。當感測器受振動力作用時，由於基座和質量塊的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動，並受到與加速度方向相反的慣性力的作用。
這樣，質量塊就有一正比於加速度的應變力作用在壓電晶元上。由於壓電晶元具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生交變電荷（電壓），當加速度頻率遠低於感測器的固有頻率時，感測器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由感測器輸出端引出，輸入到前置放大器後就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進適當的積分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。
壓電纖維複合材料的研究與應用
湖北工程學院湖北孝感 432000 摘要 本文概述了壓電纖維的製備工藝，總結了壓電陶瓷纖維研究已取得的成果，闡明了各種製備方法的優缺點及其改進的辦法，並對壓電纖維及其複合材料的研究進行了概述以及對應用前景進行了展望。關鍵詞 壓電陶瓷纖維 製備 應用 1引言 壓電材料是在外力作用下發生變形時能產生電場...
仿生複合材料
仿生材料研究進展 講義 research progress of biomimetic materials 仿生學 bionics 誕生於二十世紀60年代，是bi o electr onics的組合詞，重點著眼於電子系統，研究如何模仿生物機體和感官結構及工作原理，而材料的仿生研究則由來已久。80年代...
複合材料紙管
1.概述 該部分主要介紹紙管的特點 應用，目前存在的問題，開展課題研究的意義。2.設計任務分析 該部分主要對各自的設計任務進行分析，分析設計任務的要求特點。3.復合體系的選擇 該部分從設計任務的特點出發，選擇採用什麼樣的辦法進行這種複合材料紙管的製備，有什麼優點和什麼缺點，最後確定了什麼樣的方案。4...