1、基于压电功能器件的应用研究
（1）自适应结构的减振降噪
随着科学技术的飞速发展，有效解决工程结构中的振动噪声问题已经变得越来越重要，尤其是航空航天领域，飞行器的减振降噪对提高飞行器的性能及飞机驾乘的舒适性和安全性具有举足轻重的作用。压电材料作为一种智能材料，以其良好的机电耦合特性，在结构振动噪声控制领域具有广泛的应用。目前基于压电元件的振动噪声控制方法有被动、主动以及半主动三种。针对三种方法中存在的问题，提出了一系列新方法，以提高各种方法的控制效果和鲁棒性。如研制开发基于自适应控制方法以及半主动控制方法的振动与噪声控制系统，并利用能量回收技术实现不需要从外界输入能量的半主动控制系统。另外，还利用嵌入式压电传感器输出的信号和神经网络识别结构周围的噪声场的方法，实现不需要麦克风等外部传感器的结构噪声的新型主动控制系统等。在减振降噪方面开展了大量的研究工作，取得了一系列重大研究成果。
（2）能量回收及其应用
能量回收指的是利用一种系统从周围环境中获取能量并将其转化为可利用的能量的过程。在最近的几年中，能量回收技术有了很大的发展，这主要归功于无线技术和低功耗电子设备技术的进步。当前，除了利用太阳能、热能之外，一种利用压电元件从周围振动的环境中提取可利用的能量的方法正在被越来越多的研究人员所关注。一旦基于压电元件的能量回收微系统开发成功，它将为未来生产无需电池和人力维护的无线网络以及远程监控设备提供强有力的技术支持，并可直接用于医疗监护、电信、消费电子、交通运输等诸多密切关系人们生活、社会保障乃至国家安全的重要领域。目前利用压电材料进行振动能量回收的研究集中在四个方面：材料、结构、接口电路及其应用。本课题组着重从结构、接口电路、应用三个方面开展了研究。
（3）结构健康监测
结构健康监测技术是智能材料结构研究的一个重要分支。采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感/驱动元件，在线实时获取与结构健康状况相关的信息，结合先进的信号处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的状态、损伤。课题组主要进行了以下方面的研究：针对实验室开发的一种新型结构传感、驱动元件----含金属芯压电纤维（MPF）展开了研究。由于MPF结构细小（直径在300μm左右），非常适于与基体结构集成，而且不影响基体结构的性能,因此MPF非常适合作为结构健康监测传感、驱动元件。课题组对MPF的微观结构、铁电性能等进行了表征。研究了MPF的驱动和传感特性。基于Lamb波的主动健康技术是近年来研究比较热门的健康监测技术。本课题组建立了MPF对Lamb波的传感响应模型和MPF激励Lamb波的模型。并进行了实验验证。提出了一种基于MPF花形组合的结构健康监测方法。根据应变花的原理，一个应变花可以确定结构中主应变的大小和方向，同样，一个花形结构的传感器组合也可以确定结构中应力波的方向，因此两个一定距离的花形结构的传感器组合就可以确定结构中应力波源。因为MPF对应力波的传感具有很强的方向性，所以本课题组根据上述原理提出了基于MPF花形结构的结构健康监测方法。该方法原理、结构简单，进行结构中损伤、冲击载荷等定位时只需要测量传感信号的幅值。克服了传统依靠测量应力波传播时间的结构损伤定位方法。该方法非常适宜应用在复杂结构及复合材料结构中（难以精确测量应力波传播时间）。该方法既可以进行结构的被动损伤、冲击载荷监测，也可以进行结构主动健康监测。
基于压电元件的输电线弹性波检测技术是近年来发展起来的一种智能检测技术。它不仅具有检测距离远，检测效率高等优点，而且相对其它方法具有设备简单，易于操作等优势，这些独特之处使得该方法在输电线路损伤、覆冰检测中具有强大的应用前景，且具有对输电线路进行除冰、防冰等巨大的潜能。本课题组建立了输电线结构弹性波传播模型，提出了适于输电线结构的弹性波频率、模式，对输电线覆冰、损伤监测进行了初步的仿真和实验研究。同时由于弹性波对不同的损伤敏感程度不同，本课题组分析了常见损伤（包括结构损伤，覆冰等）对弹性波在输电线中的传播特性的影响，得到频率与模态和结构损伤的对应关系。同时，课题组正在进行的研究包括输电线检测技术中驱动、传感元件的工程适用性，输电线路在线检测方法，输电线检测无线传感网络技术研究等。
（4）压电器件的精密传感与驱动技术
随着微电子制造、生物工程、超精密加工和纳米技术的发展，迫切需要高精度、分辨率好、性能可靠的精密驱动系统。常用的驱动功能元件有压电元件、形状记忆合金、磁流变元件和电流变元件。其中，压电材料具有直接的机电转换性能，主要优点有：响应速度快、激励功率小、动态性能好、精度高、频响范围宽等。精密驱动课题组是在国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持下，以含金属芯压电纤维(MPF)作为研究对象，以MPF在扫描探针显微镜技术作为应用目标，着重研究MPF的精密驱动功能及其控制方法。在此基础上，设计基于MPF的纳米级精密驱动系统并应用与微纳米制造领域中。研究内容主要包括以下几个方面：通过特殊的反馈补偿技术来消除压电材料的电滞特性，实现压电器件的精密传感与驱动。把压电材料的传感与驱动功能相结合，并建立基于压电材料的电滞特性逆物理模型的控制系统，实现无需外部传感器，且具有高频响应特性的高精度压电驱动器。最终设计基于含金属芯压电纤维的精密驱动系统。
（5）自适应结构
自适应结构是结合机械结构设计、计算力学、自动控制、材料科学等专业的综合性学科。可通过改变自身的几何特性，物理特性去适应环境的变化，去满足外界环境对结构的多种要求，这一概念被认为是未来飞机机构设计改进的突破口。随着航空科学技术的飞速发展，对飞行器的结构提出了轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力的要求，为了满足高性能飞行器研制需求，自适应机翼技术作为一项关键技术将发挥其在改善飞机飞行性能方面的重要作用。自适应机翼具有翼型自适应能力，根据不同的飞行条件改变机翼形状参数，如机翼的弦高、翼展方向的弯曲和机翼厚度，采用最优方式，使机翼能得到空气动力学方面的好处。它可以有效改善翼面流场、延缓气流分离、增加升力和减少阻力，从而提高飞行器的机动性和载荷能力，抑制气动噪声与振动，并能改善雷达探测的散射截面从而有利于飞行器的隐身。可以看出，应用自适应概念进行飞机设计将使结构更主动全面的符合实用条件，在材料的使用方面更趋于合理和充分，在飞机性能，寿命，减重方面获得明显的改进。目前对飞行器操作舵面自适应结构的研究主要集中于自适应机翼后缘变体结构设计、新型压电泵驱动器的设计和二维自适应机翼柔性后缘-动态气动特性仿真计算三个方面。
2、压电功能材料与器件的研究
（1）无铅压电陶瓷
无铅压电陶瓷，是指既具有将机械能和电能互相转换的使用性能又具有良好环境协调性的一类新型功能陶瓷材料。与传统压电铁电陶瓷相比，它不含铅元素。无铅压电铁电陶瓷可用作换能器、驱动器、探测器、报警器、电容器、传感器等。
课题组在水热合成高活性BaTiO3粉体、（K,Na）NbO3粉体以及两步烧结多组元无铅压电陶瓷等方面做了一些工作，取得了一些创新性成果。
（2）压电陶瓷薄膜
压电陶瓷薄膜材料(Piezoelectric ceramic thin film materials)是将压电器件平面化和集成化的一种新型的压电材料，兼有单晶和陶瓷的优点。本实验室主要采用溶胶-凝胶法、柠檬酸（pechini）法和水热法等制备含铅的PZT薄膜器件和无铅KNN薄膜器件并对其性能进行研究。
目前以加入草酸铵和没有加入草酸铵两种方法制备氢氧化铌，以得到的氢氧化铌、碳酸钾、碳酸钠为原料，柠檬酸为螯合剂，乙二醇为酯化剂，通过聚合物前驱体法在SiO2/Si基板上制备了铌酸钾钠（KNN）薄膜。研究了氢氧化铌的制备中草酸铵加入的作用，并对薄膜进行了不同温度的退火处理，分别用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）对薄膜进行了物相和形貌的分析。结果显示：所制备的KNN薄膜为钙钛矿结构；草酸铵的加入优化了薄膜的性能,主要是因为加入草酸铵后制备的氢氧化铌中铌的存在形式不同或含有结晶水的数量不同所致；随着退火温度的增加，薄膜的致密化程度越来越高，晶粒有明显的定向生长趋势。
（3）压电陶瓷纤维
为便于智能结构的集成，保证功能器件嵌入结构时不影响结构原有强度，希望功能元件在保持原有驱动能力的情况下，尽可能采用薄膜或者纤维形式。针对这样的几何形状要求，研发了Sol-gel与粉末的混合物挤压成型的新工艺，制造了高性能的PNN-PZT压电纤维。这种压电纤维的性能要比用传统的粉末法制造的纤维高出20%。目前压电纤维研究大多只针对无芯压电纤维。这种传统的无芯压电纤维必须以压电复合材料的形式使用，单根纤维无法直接作为传感器或驱动器。基于这样的现状，课题组还研发了一种新的成型工艺，在世界上首次成功制备了直径为150－250微米的含有金属芯（直径50微米）的压电陶瓷纤维。这种纤维不但具有直径小，便于智能结构的集成等优点，而且由于金属芯可以作为电极使用，因此只要在其表面镀上另一个电极，单根纤维就可以作为传感器或驱动器使用，具有在MEMS中作为微型功能器件使用的潜力。且根据在纤维表明镀电极的不同，纤维可以工作于两种模式，当在纤维表明镀上全部电极时，可以工作于沿长度方向的伸缩模式，当镀上半面电极时，可以工作于弯曲模式。此外，由于压电纤维韧性较大，可制备成带有一定曲率的复杂形状（如螺旋状等），纤维这样的优点，使得压电纤维在复杂特殊情况下的使用成为可能，拓宽了压电纤维的应用范围。
（4）功能梯度压电陶瓷弯曲驱动器
应力集中是影响功能器件的寿命与可靠性的主要原因之一。功能梯度设计是解决材料中的应力集中，提高材料与器件疲劳强度的理想方法。课题组首次提出将功能梯度材料的思想应用于压电驱动器的设计，建立了压电功能梯度驱动器的理论模型，解决了功能梯度器件的材料参数及结构参数优化问题、流延成型用成型浆料的最优化工艺参数、功能梯度压电陶瓷的烧结制备工艺参数以及其机电性能及力学性能的测试等问题，利用流延成型技术制备出了1mm厚、4层结构的PNN-PZT功能梯度压电陶瓷弯曲驱动器，建立了PNN-PZT功能梯度压电陶瓷弯曲驱动器的测试实验装置，测试了其性能。该驱动器不仅具有与传统的双晶片驱动器相同的功能，而且内部阻尼很低，疲劳寿命是现有双晶片的10倍以上。此项研究成果解决了压电器件的应力集中问题，提高了其疲劳强度等力学性能和机械性能，促进了压电器件在航空航天智能结构中、精密驱动以及压电泵等工程领域的应用。
