基于石墨烯的新型高压电性能Lamb波薄膜传感器研究

This study proposes the development of a novel nanocomposite film sensor for Lamb wave detection using graphene. Graphene as additive conducting particles is used in conjunction with PZT/PVDF to enhance the electrical, piezoelectric, and mechanical properties of the composite film sensor. The resulting film sensor is expected to have the advantages of light weight, improved flexibility and piezoelectric performance, and thus can be used as a flexible transducer attached to targets with curved surfaces..In this study, the graphene is added to form a nanocomposite (G/PZT/PVDF). The fundamental mechanism of influence of graphene on the G/PZT/PVDF composite material is studied. The Density Functional Perturbation Theory (DFPT) of first-principles study combined with morphology and topography analysis are used to model the novel composite material. For the sensor fabrication, the response surface and Bayesian model selection method are both employed to establish the non-linear correlation between poling parameters and piezoelectric properties. Two types of experimental studies are proposed to validate the novel piezoelectric sensor. The cantilever beam test is used to verify the piezoelectric properties and the Lamb wave non-destructive testing is used to validate the performance of damage identification.

本项目提出了一种新型的基于石墨烯的Lamb波压电薄膜传感器。采用纳米材料石墨烯为第三相，锆钛酸铅（PZT）陶瓷颗粒为功能相，高分子聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）为基体，研究一种质轻、有韧性、可延展性好，适用于曲面结构且压电、介电性能优异的Lamb波传感器。本项目结合材料微观界面特征，采用第一性原理建立G/PZT/PVDF的压电性能模型，从材料微观观察和理论计算两个方面揭示石墨烯改性压电性能的物理机理。在传感器工艺方面，考虑极化参数对于压电性能的影响，采用结合响应面和贝叶斯模型选择的方法，建立极化参数和压电性能的非线性模型。从材料本身和传感器工艺两个方面提高新型压电传感器的压电性能。并采用实验室搭建的悬臂梁和Lamb波损伤检测平台对研究提出的新型G/PZT/PVDF压电传感器进行压电性能及损伤检测两个方面的实验验证。解决了现有压电陶瓷传感器质脆、易碎、重量大，无法适用于复杂结构的问题。

随着航空科学技术的飞速发展，大量新型材料和先进工艺的应用，现代飞行器结构外形、结构形式具有越来越复杂的趋势，对传统的结构健康监测提出了新的要求。广泛应用于结构健康监测的压电陶瓷传感器因衬底比较硬，质脆，难以满足复杂几何表面的损伤监测。因此，研制一个同时具有高柔韧性也满足实时、在线结构健康监测需求的Lamb波柔性薄膜传感器是一个亟待解决的问题。.本项目以结构健康监测领域对新型传感器的要求为出发点，研究采用压电陶瓷颗粒铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)为功能相，高分子聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)为基体，石墨烯(Graphene，下文简称G)为第三相对传统的压电薄膜材料进行改性，研制了一种基于Lamb波的G/PMN-PT/PVDF压电传感器。项目的主要研究成果如下：.（1）提出了一种新型G/PMN-PT/PVDF压电薄膜传感器的制备方法。经分散均质、电晕极化等工艺优化后制备的压电薄膜显示出良好的柔性，可适应于复杂曲面的结构监测。.（2）提出了一种压电薄膜传感器工艺参数和压电性能的最优化非线性模型；探索组分体积分数、石墨烯掺杂量、成膜温度三个不同水平的因素对压电性能影响的显著程度。求解了非线性模型最大值，实现传感器制备最优化配置。.（3）研究了石墨烯改性G/PMN-PT/PVDF体系压电性能的物理机理，从石墨烯掺杂改善PMN-PT的结晶度、促进PVDF中非极性相向极性相的转变两个方面解释了薄膜压电性能提升的原因。提出了石墨烯掺杂压电聚合物基复合材料介电常数模型，定量解释了石墨烯对介电常数的影响，为石墨烯改性优化提供指导。.（4）对所研制的G/PMN-PT/PVDF压电薄膜传感器开展了三个典型频率范围内(高频超声Lamb波、中频振动、低频人体活动)的动态应变监测，验证了其曲面适用性和监测可靠性。.本项目实现了石墨烯改性压电薄膜传感器“机理研究-开发制备-测试应用”的全过程研究成果，并与境内外高校及科研单位开展了学术合作和成果应用，具有良好的社会影响。