基于含金属芯压电纤维与Lamb波的一维结构损伤定位研究

　　Lamb 波作为一种超声导波，在结构中能够传播较远距离，而且对结构中的损伤比较敏感，所以在结构健康监测领域得到了广泛的应用[1]。基于 Lamb 波的结构健康监测技术一般都是采用压电元件作为激励与传感元件。然而，随着各项技术的不断完善，特别是智能材料结构概念的提出，强调一体化、智能化、低成本的结构健康监测研究领域逐渐形成，它在一定程度上弥补了传统无损检测方法的不足。传统的压电功能器件以块状和片状居多，非常容易损坏，不适合粘贴在曲面结构表面; 而且由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性有很大的影响。因此开发轻质、结构细小、易与基体结构集成的薄膜或纤维状压电功能元件是一个必然的发展趋势。Monkhous 等[2]已开发了用于激励和检测 Lamb 波的PVDF 薄膜传感器，可实时监测金属材料的损伤。上个世纪九十年代中期，美国 MIT 驱动材料和结构实验室提出了纤维状压电材料( AFC: Active Fiber Composite，fiber - shaped piezoelectric material) 的概念，并成功制作了 AFC[3]。而后，美国航空航天局 NASA 于 2001 年并成功制作了 MFC ( Macro Fiber Composite)[4]。AFC/MFC 是把 PZT 纤维横向排列在环氧聚合物中，使用指形交叉电极制备而成的压电纤维复合材料。和传统的压电材料相比，AFC/MFC 性能上有很大的提高，而且柔韧性较高，可以高效的用于航空航天结构中的健康监测。很多研究人员已经对 AFC/MFC 作为超声 Lamb波换能器进行研究，并取得一些可喜的成果[5 -8]。

　　但是，由于 AFC 和 MFC 中的纤维只能在聚合物中，整体作为一个器件使用，不能单独使用，不适合埋入基体材料内部; 且只有在交叉电极中的部分纤维可以作为传感和驱动用，其效率受到很大的影响。近年来，本文作者之一的 Qiu[9]，以及日本的 Sato[10]等人先后制作了含金属芯的压电陶瓷纤维( Metal-core Piezoe-lectric Ceramic Fiber，MPF) 。和 AFC、MFC 相比，MPF有很多优点: ① MFC 需要外接电极，而 MPF 不需要。因为 MPF 中的金属芯本身就是一个电极，表面喷涂上一层金属作为另一个电极; ② MFC 使用了 PZT 纤维材料的一部分作为传感器和驱动器。而 MPF 使用了全部的 PZT 纤维材料，其效率有了很大提高。③ MPF 中由于 PZT 纤维材料直接和电极接触，可以产生高效的电场; ④ 和 MFC 相比，MPF 中的金属芯提高了纤维的机械性能。基于以上分析，本文提出采用 MPF 作为超声Lamb 波传感器，并在一维结构中进行的损伤定位研究。

　　1 含金属芯压电纤维

　　图 1 为含金属芯压电纤维的几何外形示意图。其中心为一根金属芯，中间为压电陶瓷，陶瓷外面镀有金属层，因此金属芯和外部金属层就可以作为两个电极，这样单根 MPF 就可以作为传感器或驱动器使用。含金属芯压电纤维外层电极喷镀有两种形式，一种为在纤维整个表面全部喷镀电极，称为全电极含金属芯压电纤维 ( MPF，Metal Core Piezoelectric Fiber) [如 图 1( a) ]，MPF 的运动模式为沿着长度方向的伸缩运动;另一种为在纤维的一半纵向表面喷镀电极，称为半电极含金属芯压电纤维( HMPF，Half Coated Metal CorePiezoelectric Fiber) [如图 1( b) ]，HMPF 的运动模式为弯曲运动模式。而在本文的实验中采用的则是前一种，即伸缩运动模式的全电极含金属芯压电纤维。