High-Temperature and Flexible Piezoelectric Sensors for Lamb-Wave-Based Structural Health Monitoring

材料科学 压电 结构健康监测 铁电性 纳米柱 复合材料 压电传感器 压电系数 声学 PMUT公司 光电子学 纳米技术 电介质 纳米结构 物理
作者
Xiyuan Zhang,Yu Wang,Xingyao Gao,Yanda Ji,Fengjiao Qian,Jiyu Fan,Haiyan Wang,Lei Qiu,Weiwei Li,Hao Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (40): 47764-47772 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acsami.1c13704
摘要

Piezoelectric sensors can be utilized in Lamb-wave-based structural health monitoring (SHM), which is an effective method for aircraft structural damage detection. However, due to the inherent stiffness, brittleness, weight, and thickness of piezoelectric ceramics, their applications in aircraft structures with complex curved surfaces are seriously restricted. Herein, we report a flexible, light-weight, and high-performance BaTiO3:Sm2O3/SrRuO3/SrTiO3/mica film sensor that can be used in high-temperature SHM of aircraft. Enhanced ferroelectric Curie temperature (487 °C) and piezoelectric coefficient d33 (120–130 pm/V) are achieved in BaTiO3, which can be attributed to the tensile strain developed by stiff Sm2O3 nanopillars. Stable ferroelectricity and piezoelectricity are retained up to 150 °C. The flexible BaTiO3:Sm2O3/SrRuO3/SrTiO3/mica film is validated as an ultrasonic sensor with high sensitivity and stability for damage monitoring on aircraft structures with the curved surface ranging from 25 to 150 °C. Our work demonstrates that flexible and light-weight BaTiO3:Sm2O3/SrRuO3/SrTiO3/mica film sensors can be employed as high-temperature piezoelectric sensors for real-time SHM of aircraft structures with complex curved surfaces.
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