D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.022 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 金属颗粒分散压电陶瓷复合材料的压电性能 张 赏 邱红梅)四张海龙2) 1)北京科技大学数理学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:hmqiu@usth.cdu.cn 摘要金属颗粒分散压电陶瓷复合材料是一种新型的30型压电复合材料，其有效压电性能受金属相体积分数的影响.利 用基于格林函数的有效介质理论，结合由于金属相的弥散导致压电陶瓷内电畴的取向分布变化，对金属相体积分数对复合材 料有效压电性能的影响进行理论计算.结果表明，复合材料的有效压电性能随金属相体积分数的增加呈下降趋势，理论计算 和文献报道的实测结果基本吻合，表明该方法能够预测压电陶瓷/金属复合材料体系显微结构与压电性能之间的关系， 关键词压电陶瓷：复合材料：压电性能：有效介质理论：取向分布函数 分类号TM282 Piezoelectric properties of metal-particle-dispersed piezoceramics composites ZHANG Shang',QIU Hong-mei☒，ZHANG Hai--4ong2 1)School of Mathematics and Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:hmqiu@ustb.edu.cn ABSTRACT Metal-particle-dispersed piezoceramics are a new type of 3-0 piezoelectric composite.The volume fraction of metal par- ticles has large effect on the piezoelectric properties of the composite.In combination with that metal particle dispersion can result in a change in orientation distribution of the electric domain in piezoceramics,the influence of the volume fraction of metal particles on the piezoelectric properties of the composite was calculated according to the effective medium theory based on Green's function.It is shown that the effective piezoelectric properties of the composite decline with the volume fraction of metal particles increasing.The theoretical calculations are basically consistent with reported experimental results,indicating that this method enables us to accurately forecast the relationship between the structure and properties of the piezoceramics/metal composite. KEY WORDS piezoceramics;composite materials:piezoelectric properties:effective medium theory:orientation distribution function 对复合材料压电性能的分析计算一直是压电材 本文旨在利用有效介质理论研究30型压电 料研究的重点.由于材料的大部分有效性能是由其 复合材料的压电性能，即选用压电陶瓷作为基体，金 显微结构层次上的特征所决定的，因此材料显微结 属颗粒为第二相，构筑压电陶瓷/金属复合体系，研 构和宏观性能之间的关系研究具有重要意义.格林 究金属相体积分数对复合材料有效压电性能的影响 函数及其微扰理论在分析材料显微结构一性能关系 机制，尝试建立相应的物理图像.通过调控金属含 方面已经非常成熟，典型应用是对热电效应口、压 量形成压电性能的梯度变化，这种压电陶瓷/金属复 电效应回和磁电效应的研究.在压电效应研究方 合材料已经成功用于制备功能梯度结构压电驱动 面，0-3型和1-3型压电复合材料己有较深入的研 器四，然而金属相对压电陶瓷性能的影响规律与物 究，这两类复合材料的共同特点是基体相为聚合物， 理机制尚不清楚.由于该30型复合材料的基体相 第二相为压电陶瓷. 为压电陶瓷，第二相为导电的非压电相，因而其电场 收稿日期：201003-18 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No.2006AA03Z436)第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 金属颗粒分散压电陶瓷复合材料的压电性能 张 赏1) 邱红梅1) 张海龙2) 1) 北京科技大学数理学院，北京 100083 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: hmqiu@ ustb． edu． cn 摘 要 金属颗粒分散压电陶瓷复合材料是一种新型的 3--0 型压电复合材料，其有效压电性能受金属相体积分数的影响． 利 用基于格林函数的有效介质理论，结合由于金属相的弥散导致压电陶瓷内电畴的取向分布变化，对金属相体积分数对复合材 料有效压电性能的影响进行理论计算． 结果表明，复合材料的有效压电性能随金属相体积分数的增加呈下降趋势，理论计算 和文献报道的实测结果基本吻合，表明该方法能够预测压电陶瓷/金属复合材料体系显微结构与压电性能之间的关系． 关键词 压电陶瓷; 复合材料; 压电性能; 有效介质理论; 取向分布函数 分类号 TM282 Piezoelectric properties of metal-particle-dispersed piezoceramics composites ZHANG Shang1) ，QIU Hong-mei 1) ，ZHANG Hai-long2) 1) School of Mathematics and Physics，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: hmqiu@ ustb． edu． cn ABSTRACT Metal-particle-dispersed piezoceramics are a new type of 3-0 piezoelectric composite． The volume fraction of metal par￾ticles has large effect on the piezoelectric properties of the composite． In combination with that metal particle dispersion can result in a change in orientation distribution of the electric domain in piezoceramics，the influence of the volume fraction of metal particles on the piezoelectric properties of the composite was calculated according to the effective medium theory based on Green＇s function． It is shown that the effective piezoelectric properties of the composite decline with the volume fraction of metal particles increasing． The theoretical calculations are basically consistent with reported experimental results，indicating that this method enables us to accurately forecast the relationship between the structure and properties of the piezoceramics/metal composite． KEY WORDS piezoceramics; composite materials; piezoelectric properties; effective medium theory; orientation distribution function 收稿日期: 2010--03--18 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( No． 2006AA03Z436) 对复合材料压电性能的分析计算一直是压电材 料研究的重点． 由于材料的大部分有效性能是由其 显微结构层次上的特征所决定的，因此材料显微结 构和宏观性能之间的关系研究具有重要意义． 格林 函数及其微扰理论在分析材料显微结构--性能关系 方面已经非常成熟，典型应用是对热电效应［1］、压 电效应［2］和磁电效应［3］的研究． 在压电效应研究方 面，0--3 型和 1--3 型压电复合材料已有较深入的研 究，这两类复合材料的共同特点是基体相为聚合物， 第二相为压电陶瓷． 本文旨在利用有效介质理论研究 3--0 型压电 复合材料的压电性能，即选用压电陶瓷作为基体，金 属颗粒为第二相，构筑压电陶瓷/金属复合体系，研 究金属相体积分数对复合材料有效压电性能的影响 机制，尝试建立相应的物理图像． 通过调控金属含 量形成压电性能的梯度变化，这种压电陶瓷/金属复 合材料已经成功用于制备功能梯度结构压电驱动 器［4］，然而金属相对压电陶瓷性能的影响规律与物 理机制尚不清楚． 由于该 3--0 型复合材料的基体相 为压电陶瓷，第二相为导电的非压电相，因而其电场 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.022