基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量_范志强.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2022-0152基于 PVDF 复合压电效应的低强度冲击波柔性测量*范志强1,2，常瀚林1，何天明1，郑航3，胡敬坤1，谭晓丽1（1.中北大学理学院，山西太原030051；2.西北工业大学航空学院，陕西西安710072；3.中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥230027）摘要：为探索低强度冲击波的柔性测量技术，对 PVDF（polyvinylidenefluoride）压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验，评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器，获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器，结果表明：单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低，测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响，灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力，产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在 0.20.7MPa 压力范围内名义灵敏度约 9001350pC/N，相对测量误差不大于13%。关键词：冲击波；柔性测量；聚偏氟乙烯；复合压电效应；灵敏度系数中图分类号：O383国标学科代码：13035文献标志码：AFlexible measurement of low-intensity shock wave based on couplingpiezoelectric effect of PVDFFANZhiqiang1,2,CHANGHanlin1,HETianming1,ZHENGHang3,HUJingkun1,TANXiaoli1(1.School of Science,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.School of Aeronautics,Northwestern Poly technical University,Xian 710072,Shaanxi,China;3.CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials,Hefei 230027,Anhui,China)Abstract:Toexploretheflexiblemeasurementtechnologyoflow-intensityshockwave,thesensitivitycalibrationexperimentwasperformedonPVDF(polyvinylidenefluoride)filmedpressuregaugesbyusingashocktube.ThemeasurementreliabilityofflexiblePVDFpressuregaugeforlowintensityshockwavewasevaluated.Toimprovethemeasurementstabilityandsensitivity,thefilmedpressuregaugewasmodifiedbasedonthemicrostructuredesignandobtainedaflexiblegaugewithhighforce-electricsensitivity,whichwasmoresuitableforlow-intensityshockwavemeasurement.Itwasfoundthattheeffectiveoutputchargecausedbytheout-of-planeshockwaveandthesignal-noiseratioweretoolowwhenthepressuregaugewasinanindividualpiezoelectricmodethatwasmostlyusedinhighintensitypressuremeasurement.Themeasurementresultsweresignificantlyinfluencedbythenonlinearforce-electricresponseofthepiezoelectricmembrane,thedeformationandvibrationofthestructuralsurface,andthepackagingfactorsinsidethegauge.Theeffectsofthesefactorsledtounstablepiezoelectricsensitivityandlargediscrepancyamongdifferentgaugeswhenthegaugeswereusedunderlowintensitypressure.Byusingthe*收稿日期：2022-04-11；修回日期：2022-07-01 基金项目：国家自然科学基金(12072326)；中国博士后科学基金(2021T140562)；中北大学青年学术带头人支持计划(QX202003)第一作者：范志强（1989），男，博士，副教授，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023013102-1micro-structuredesignwithcircumferentialfixedconstraintonthefilmedgauge,thelow-intensityout-of-planeshockcanbetransformedintoahigh-amplitudein-planetensilestressfieldinthePVDFfilmedgauge,causingacouplingpiezoelectricworkingmode.Thecouplingpiezoelectriceffectproducedbythemicro-structurecangreatlyimprovethenominalsensitivitycoefficientofthegaugeandreducetheindividualdifference.Thenominalsensitivityofthedevelopedflexiblegaugeisabout9001350pC/Nwithinthe0.20.7MPapressurerange,whichisabout40timeshigherthanthatintheindividualpiezoelectricworkingmode.Inaddition,therelativemeasurementerrorcanbecontrolledwithin13%underthecouplingpiezoelectricmode.Theproposedflexiblemeasurementmethodoflow-intensityshockwavecanprovideeffectivedesigntechniqueforthedevelopmentofhigh-sensitiveflexibledeviceswhicharesuitableforshockwavemonitoringofpersonnelequipment.Keywords:shockwave;flexiblemeasurement;polyvinylidenefluoride(PVDF);couplingpiezoelectriceffect;sensitivitycoefficient单兵装备的高度集成化、信息化和智能化可全方位拓展士兵的态势感知和作战适应能力，为其生命安全提供综合防护。士兵在战场上可能随时处于爆炸冲击波作用范围内，如大口径火炮、反坦克火箭或导弹发射环境中的士兵可能承受多次低强度冲击波作用，多次的冲击波超压暴露可导致原发性爆炸损伤（primaryblastinjury，PBI）和创伤后应激障碍（post-traumaticstressdisorder，PTSD）等冲击波伤1-2。相比于破片和爆轰产物的直接杀伤，冲击波伤具有伤情隐匿性强、致伤机理复杂和作用范围大等特点3-5。研究表明，士兵在冲击波超压环境中的多次暴露与其大脑组织挫伤、PTSD 风险增加、随年龄增长导致的神经系统障碍病情加速和脑震荡等症状均有较大关系6-7。士兵经历的冲击波毁伤环境数据的准确获取和记录，在战时指挥和战后康复诊疗方面都具有重要作用。如美军装备的一种无线便携式冲击波监测装置，可直接安装在头盔、肩带和胸口位置，对冲击波暴露历史进行记录、实时监测并通过指示灯对战场冲击波环境进行预警。随着柔性电子技术的发展，国内在穿戴式人员生理信息（如心率、血压、血氧等）监测的研究较为丰富8，但对随体式冲击波监测技术的研究仍然很少。传统硬质冲击波压力传感器受限于体积、安装、功耗等因素，并不适用于单兵装备或人员体表的冲击波直接监测。以压电薄膜为敏感元件的柔性传感器具有较高的环境适应性和低功耗等特点9-10，为穿戴式柔性冲击波测量提供了关键思路。目前基于 PVDF(polyvinylidenefluoride)传感器测量结构表面低强度空中爆炸冲击波的研究较少，柴栋梁等11采用硬质壳体封装薄膜传感器对激波管和外场爆炸产生的冲击波进行了验证性测量，但并未评估薄膜传感器的测量稳定性、灵敏度等性能。Wang 等12对阵列式 PVDF 传感器进行了 0.55MPa范围的空气冲击波压力灵敏度标定，并将其安装于流固界面，对 2.513.0MPa 范围的气泡空化冲击压力进行测量，实验采用激光微加工技术控制表面电极和敏感区尺寸，以提高压力计灵敏度的稳定性。然而，作用于人员体表的低强度冲击波加载时间一般仅持续几十微秒至几毫秒、幅值仅几百千帕，测量元件必须具有较高的频响和力电转换灵敏度。然而，即使采用柔顺性较高的聚合物压电材料（如聚偏氟乙烯，PVDF），其敏感元件也具有较高的弹性模量（23GPa），传统测量方式假设内部元件为面外单向受压状态，即仅考虑 d33方向压电效应的工作模式，测量低强度冲击波时有效电压/电荷输出可能与噪声同量级，测量信噪比低、稳定性差。其次，PVDF 压力计一般用于较高压力（兆帕到吉帕）的测量，压力测量对背部和周向约束条件的依赖性较强13，上述因素在低强度冲击波测量时可能导致严重的偏差。最后，高聚物材料力学响应具有显著的非线性特征和率相关性，在较低压力范围内，PVDF 压电薄膜的力电响应非线性特征突出，难以直接应用于低强度冲击波的准确监测。针对上述问题，本文中首先针对传统单一压电工作模式的不同封装形式的 PVDF 压力传感器进行冲击波标定，评估其对低强度冲击波压力测量的可靠性；然后基于微结构设计提出一种具有复合压电效应的冲击波测量元件构型，采用柔性衬底对复合薄膜元件进行边界约束和基体结构变形隔离，使柔性复合薄膜元件在面外冲击波作用下产生复杂应力状态和复合压电效应，显著提高冲击波测量灵敏度和稳定性，为适用于穿戴式装备表面冲击波压力的精确测量提供基础。第43卷范志强，等：基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量第1期013102-2 1 传统薄膜压力计冲击波测量 1.1 实验设置首先选用目前广泛应用于精确压力测量的商用 PVDF 薄膜压力传感器，评估其对低强度冲击波压力的测量性能。传感器分别选用锦州科信电子材料有限公司的 JYC15 型和美国 Dynasen 公司生产PVF2-11 型薄膜压力传感器，如图 1 所示。JYC15 为传统夹芯式封装，PVDF 敏感元件直径 15mm、厚度28m，双侧采用透明绝缘膜封装，直径 17mm、总厚度 270m，压电膜静态压电系数 d31=（171）pC/N，d32=（51）pC/N，d33=（211）pC/N，封装后传感器标称动态压电系数为