第18卷 第3期
高压物理学报
Vol.18,No.3 2004年9月
CHINESE JOURNAL OF HIGH PRESSURE PHYSICS
Sept.,2004
文章编号:1000-5773(2004)03-0261-06
*
李 焰，张向荣，谭红梅，刘晓玲，裴明敬
(西北核技术研究所，陕西西安 710024)
摘要：对两种厚度的国产PVDF 压电薄膜，用轻气炮和激波管进行了冲击加载应力-电荷曲线的标定，并 与其它若干种国内外的PVDF 标定曲线进行了对比和分析；采用阶梯卸载和同时测量质点速度的方法，研究了PVDF 压电薄膜的冲击卸载响应特性，发现有明显的滞后效应
抑制血亲存在。
关键词:PVDF；压电薄膜；动态响应；卸载；滞后效应 中图分类号:O521.3 文献标识码:A
1 引 言
PVDF 压电薄膜以其响应快(纳秒量级)、测压范围宽(0~20GPa)、灵敏度高等许多优点，在冲击应力测量方面得到了很好的应用。为了实现对应力的精确测量，有必要对PVDF 压电薄膜的冲击响应特性进行深入的研究，其中，应力-电荷曲线的标定和卸载响应特性的研究是两个重要的内容。国外在这方面的研究已相当深入[1~4]，且已经实现了PVDF 应力传感器的标准化[5]和商业化。
国内目前已有若干个单位，如锦州电子材料厂、株州氟塑料研究所和兵器工业部五三所等，可以批量生产质量较好的PVDF 压电薄膜，因此，在PVDF 冲击应力传感器的应用上也越来越广泛。对PVDF 应力传感器的标定，大多只局限于Hopkinson 杆在较低应力(<013GPa)下的标定[6,7]，很难满足在许多爆炸和冲击加载条件下的应力测量。温殿英[8]对80L m 厚的PVDF 压电薄膜用火炮在2~22GPa 应力范围进行了标定，用数值模拟方法对其电响应特性进行了研究。但总的来说，对PVDF 压电薄膜的冲击响应研究还远远不能满足实际应用的要求。
舰船科学技术
在冲击卸载响应的研究上，国内还未见有报道。一般而言,PVDF 压电薄膜有滞后效应，当应力卸载为零时，其电荷不回零，我们在PVDF 的研究中也发现了这一点。但也有文献发现,PVDF 在小于715GPa 应力下没有明显的滞后效应[9]。
图1 PVDF 应力传感器结构示意图Fig.1 The schematic structure of PVDF s tress gauge
针对以上两点，采用轻气炮平面碰撞和激波管加载的方式，研究了两种国产PVDF 压电薄膜的冲击加卸载响应特性。研究结果可为PVDF 应力传感器的应用和研究提供参考。
近海风荷载2 实验方法
2.1 PVDF 应力传感器研制
采用锦州电子材料厂生产的PVDF 压电薄膜，按图1所示的结构制成了两种PVDF 应力传感器:
*
收稿日期:2003-01-13；修回日期:2003-06-10
基金项目：抗辐射加固技术研究基金
作者简介：李 焰(1969))，男，副研究员，主要研究方向为爆炸力学，动态测试.
E -mail:li yan2003333@sohu
一种厚50L m，面积8mm 2(简称1#PVDF)；另一种厚40L m，面积16mm 2(简称2#PVDF)。整个传感器厚0113~0115mm，其中，铜箔引线厚0102mm，聚酰亚胺薄膜厚0103m m 。
2.2 冲击加载应力-电荷曲线的标定
较高应力下的标定实验在西北核技术研究所的Á57mm 轻气炮上进行。弹速为100~600m/s，静态弹靶碰撞角度小于015mrad 。实验装置简图如图2所示。飞片和靶采用同种材料(对称碰撞)，按加载压力大小分别为PMMA 、LY12Al 和H62Cu 。靶按一定的宽厚比设计，以保证传感器在有效测量时间内不受边侧稀疏的影响。飞片碰靶速度(w )由激光测速系统得到。
标定原理：按照对称碰撞原理，靶中的质点速度u =w /2，测量出靶中的应力波波速D，则按冲击波关系式，有p =Q 0Du 。
PVDF 应力传感器的输出电荷采用图3所示的/电流法0进行测量。其中,R 1、R 2都为508。R 2可以为电阻分压衰减器。示波器记录的电压波形通过积分的方法得到PVDF 传感器的输出电荷波形。
较低冲击压力的标定实验在西北核技术研究所的Á130mm 激波管上进行，如图4所示。实验参考压力由ENDEVOC
公司的一种标准压力传感器测量得到。
2.3 冲击卸载特性实验方法
在轻气炮平面碰撞实验中，采用高冲击阻抗的薄飞片，碰撞低冲击阻抗的厚靶，可以实现阶梯卸载(Step -Release)的应力波形(图5、图6)。Perez [10]曾用这种方法研究碳应力计的卸载特性。在卸载应力的确定上,Perez 等人采用的是阻抗匹配计算方法。这里，我们采用测量质点速度的方法。
如图5所示，在与应力传感器相同的界面上安装有电磁粒子速度计，可以测量靶中质点的速度。测量原理为：埋入靶中的Ò型金属箔随质点以相同速度运动，在垂直于金属箔运动方向上加有磁场B ，根据法拉弟电磁感应定律，金属箔切割磁力线产生的电动势为V =BLu (其中,L
为金属箔切割磁力线的
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长度)，由此可以确定质点的速度u =V/B L 。
卸载应力的确定方法如下：假设靶材料的冲击压缩曲线(p -u 曲线)为直线(图6(c)中的O A 线)，卸载也沿着这条直线，则有
p 1/u 1=p 2/u 2=p 3/u 3=L =p n /u n
(1)
也即是
p i =p 1u i /u 1
(2)
式中,i =2,3,...,n ，对应应力和质点速度波形的各个台阶。应力峰值p 1可以由PVDF 应力传感器的冲击压缩应力-电荷曲线得到，质点速度的各个台阶值与峰值u 1的比值由实测电压波形直接得到(可以不用换算成质点速度)，则各个卸载应力台阶值(p 2,p 3,...,p n )可由(2)式计算得到。
以上通过测量质点速度(或台阶的相对比值)来确定卸载应力的方法，避开了阻抗匹配法计算过程中的累积误差，因而，相对来说，误差会更小一些。
3 实验结果与分析
3.1 PVDF 冲击加载应力-电荷曲线的标定结果与分析
图7(a)给出了典型的轻气炮标定实验的电压波形和积分波形；图7(b)给出了激波管标定实验典型的示波器记录波形(最上面为标准传感器的输出波形)；图7(c)给出了激波管的标定结果以及拟合直线。气炮和激波管的标定结果用最小二乘法拟合后，得到了用多项式表示的PVDF 压电薄膜的冲击加载应力-电荷关系(见表1)。为了便于比较，表1中还给出了若干种国内外文献中的PVDF 压电薄膜的标定结果，图8
绘出了他们的曲线。
(a)Typical vol tage waveform and (b)Typical waveform on shock tube (c)Results of the experiment
integrating waveform on gas gun on shock tube
英联邦成员国
图7 PVDF 标定实验结果
Fig.7 Results of calibration experi ment for PVDF
表1 PVDF 压电薄膜的标定结果以及与其它文献结果的比较Table 1 C alibration results of our PVDF piezofilm and others
Name
Calibration eq uation p /(GPa);q /(L C/cm 2)
p /(MPa)d PVD F /(L m)A /(mm 2)K static /(pC/N)K 0.01/(pC/N)
Author 1#
PVDF p =018911q +014142q 2
+013505q 3
460~6640508181112This article 2#
PVDF p =014729q +11293q 2
-011017q 3
p =015672q
150~96000178~1193401618
16161716This article [1]p =017647q +011453q 2+011091q 30~10423
413.1 C.Cavailler [11]p =0158q +0138q 116+01055q 3151011
16.6C HI Jia -Chun [2]p =11262q 1.408p =01516q 40~5800<302511141815271419138R.E.Setchel [8]p =51044q 11409(2~22)@1038020
1211WEN Dian -Ying [3]
p =016299q 11715
<15@103
40
319,1
8913
F.Bauer
263
第3期 李 焰等：国产PVDF 压电薄膜的冲击加载及卸载响应研究
分析和讨论:
(1)图7(c)给出了2#PVDF 压电薄膜在低应力(0178~1193MPa)下的应力-电荷曲线，其线性相关系数为R =019993，可见线性度相当好，这与许多其它文献报道的结果一致。
(2)表1中定义的一个低应力下的动态压电系数
K 0101=
q
p
温州第九中学p =0101
(3)
由标定曲线(有的需外延)在p =0.01GPa 处得到。计算结果表明，较高应力下的标定曲线计算的K 0101与静态压电系数和较低应力下的标定曲线计算的K 0.01都有很大的差别。这说明，尽管有文献发现,(对某种PVDF)准静态下的标定数据是动态标定曲线的自然延伸[9]
，也有发现PVDF 在300MPa 以下都保持
很好的线性标定关系的[12]，但仍不能随意地将高应力下的标定曲线延伸到低应力下使用。
图8 不同的PVD F 压电薄膜的冲击应力-电荷曲线的比较Fi g.8 Comparison between di fferent PVDF on
stress -charge curve under shock loadin g (3)从图8可以看出，在同一应力下，不同的PVDF 压电薄膜输出电荷的大小不同，这反映了各自的压电性能不同；文献[11]和文献[1]两条曲线很一致，估计是同一种P VDF 压电薄膜，只是标定公式不同。相比较而言，国产PVDF [8]以及本研究使用的1#
和2#
PVDF 压电薄膜的输出电荷较低，国外Bauer 所用的PVDF 压电薄膜输出电荷最大。这反映出国产PV
DF 压电薄膜在压电性能上与国外的相比还有一定的差距。这个差距与PVDF 的生产过程、电极化方式等因素有关。
3.2 阶梯卸载实验结果与分析
图9给出了典型的由钢飞片碰PMMA 靶产生的
阶梯卸载实验波形。其中，粒子速度波形的各个台阶值u i (i =1,2,3,4)分别为:26615、21018、16918、13217m/s )。由此按照(2)式计算的两炮卸载应力
(p unload )数据如表2和图10所示。表2中还给出了卸载应力波形各台阶对应的电荷q ，以及相应的由冲
击压缩应力-电荷标定公式得到的应力值p load 。
从表2中给出的p unload 和p load 之间的相对偏差可以看出,P VDF 压电薄膜存在着明显的滞后效应。在我们的阶梯卸载实验中,1#
PVDF 和2#
PVDF(共7片3个压力点)
台湾当局都表现出了这样的现象。
264 高 压 物 理 学 报 第18卷
表2 阶梯卸载实验结果
Table 2 Results of the step -release experiment
TP14
q /(L C/cm 2)p load /(GPa)p un load /(GPa)(p load -p u nload )/p unload
/(%)TP15q /(L C/cm 2)p load /(GPa)p unload /(GPa)(p load -p u nload )/p unload
/(%)0.866 1.313 1.31300.889 1.371 1.37100.771 1.087 1.039 4.50.827 1.218 1.084110.7000.9300.836100.743 1.0230.873150.609
0.745
0.653
12
0.648
0.822
0.683
17
下面以第二个应力台阶p unload 为例，计算卸载应力的相对测量不确定度。由
p 2=p 1u 2/u 1=p 1V 2/V 1(4)则p 2的相对测量不确定度为
D p 2[
D 2p 1+D 2V 1+D 2
V 2
(5)
忽略p 1的标定误差,D p 1、D V 1和D V 2主要由读数误差引起，分别小于2%、1%和715%，代入(5)式得到D p 1[718%，远小于表2中p unload 和p load 之间的相对偏差。因而，以上的结论可以排除误差的影响。另一方面，在2.3中假设了靶材料的冲击压缩曲线为直线，若按真实的曲线(p =Q 0Du =Q 0(C 0+su ),u =Au +Bu 2)，曲线的形状向上弯曲，则p unl oad 和p load 之间的相对偏差会更大，也不影响以上结论的成立。
4 结 论
(1)几种国产PVDF 压电薄膜在压电性能上与国外Bauer 的压电薄膜有一定的差距。
(2)PVDF 压电薄膜在高应力下的冲击压缩应力-电荷曲线具有很大的非线性性，当使用其标定曲
线的延伸段时，可能会带来很大的误差。
(3)实验所用的PVDF 压电薄膜具有明显的滞后效应。
(4)测量质点速度确定阶梯卸载应力的方法从理论上讲具有很高的精度，可用于应力传感器卸载曲线的标定。
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