上世纪70年代，压电晶体材料（压电单晶和压电陶瓷）迅速发展，由于其具有较好的压电效应，因此被学者们应用于传感器、驱动器、智能监测和能量采集等方面^[1-3]。但是，在实际应用中压电晶体材料由于其固有的脆性和较差的柔韧性，在成型和粘接过程中极易发生断裂，因此研究人员开始尝试将具有高柔韧性的聚合物引入压电材料，通过复合的方式制备成压电复合材料^[4]。由这种按照一定连通方式^[5]制备的复合材料不仅具有一定的压电特性，而且在柔韧性上延续了聚合物的特征，大大提升了在实际应用中的可设计性。在种类繁多的压电复合材料中，一维结构压电陶瓷纤维复合材料（Piezoelectric Fiber Composite,PFCs）^[6]，由于其不仅具有压电材料的高压电性和聚合物的高柔韧性等优点，而且单向性能突出，可加工性强，成为当前压电复合材料研究的热点。目前应用最广泛的压电纤维复合材料主要包括活性压电纤维复合材料（Active Fiber composite,AFC）^[7]、粗纤维复合材料（Macro Fiber Composite,MFC）^[8]等。

美国麻省理工学院（MIT）活性材料与结构研究室Bent等^[9]人最早通过挤出成型法制备了活性压电纤维复合材料（AFC），这种压电纤维复合材料是将截面为圆形的陶瓷纤维和环氧树脂相互填充制成。2001年，美国航天局（NASA）的兰利研究中心^[10]对AFC结构中因圆形横截面的压电纤维和叉指电极的接触面积小，导致驱动性能下降，使得 AFC 的机电转换效率降低^[11]的问题，对制备方法进行改进和优化，改用流延法制备纤维素胚，然后将素胚烧结成陶瓷薄片，再采用切割-填充法^[12]制备压电复合结构：通过切割机将陶瓷薄片切成矩形纤维阵列的结构，用环氧树脂填充阵列空隙而形成压电纤维层，最后通过叉指电极进行封装得到粗压电纤维复合材料，结构示意图如图1^[13]所示。MFC 的压电纤维横截面变为矩形，与AFC相对比，在很大程度上增加其与电极材料的接触面积，进而改善了极化效果以及驱动效果，其应变性能超出AFC高达约150%^[14]，有效的提升了机电转换效率和驱动性能。同时，MFC通过制备工艺控制可以有效降低叉指电极与压电陶瓷纤维之间聚合物的厚度，可以避免压电陶瓷纤维内部的有效电场大幅下降的问题^[6]。MFC中压电陶瓷纤维的极化方向与叉指电极产生电场极化方向一致且均匀，使得 MFC具有较高的应变输出。但随着研究的深入，研究者发现AFC和MFC在极化过程中，由于叉指电极结构原因，会存在某些区域无法产生极化电场，同时，环氧树脂等聚合物基体的特性也造成叉指电极的电场输出衰减，这两种原因极大的影响了压电纤维复合材料的驱动性能和极化效率^[6]。

图1 粗压电纤维复合材料（MFC）结构示意图

为了改善和克服制备上述的问题以及扩大压电纤维复合材料的应用领域，2004年，Cannon等^[15]通过精密共挤压成型工艺，制备出中空纤维复合材料（HFC）；德国Fraunhofer研究所为了满足这样的应用需求，采用低长径比的压电纤维制备出了1-3型压电纤维复合材料^[16]。

目前压电陶瓷纤维复合材料的制备方法主要以排列-浇注法和切割-填充法^[17]为主，两种方法制备流程^[18]如图2、图3所示，对压电陶瓷纤维界面要求不同，所采用的制备方法也有所不同。排列-浇注法能够获取不同的截面形状，但对于对纤维排列定位要求精准的模型，切割-填充法能够更好的符合要求，同时，受限于加工设备以及加工流程，切割-填充法只能用于制备矩形截面压电陶瓷纤维阵列，为此科研工作者陆续研究出了脱模法、注射成型法和流延-层叠法等压电陶瓷纤维阵列制备方法^[18]以满足实际应用中材料结构和性能多样化的应用需求。

图2 排列-浇注法

图3 切割-填充法

除了压电陶瓷纤维复合材料的结构布置以及制备工艺外，Bowen等^[19]在2006年使用有限元分析方法对复合材料的叉指电极和基板进行了优化，对电极固定器宽度、电极固定器分离和基板厚度进行模拟分析，模拟结果表明，当电极宽度等于基板厚度的一半时，产生最大应变；对于薄基板，可以减小电极间距，以降低驱动电压。当电极间距与基板厚度之比大于4时，可获得约80%的最大d₃₃应变。这说明纤维排列结构对压电陶瓷纤维复合材料的各项性能有着极大的影响，以纤维排列结构为变量研究压电陶瓷纤维复合材料性能的变化规律能够寻找出在各个应用领域中的最佳方案。