压电材料的应用

压电材料的应用

专业：材料科学与工程

学号：1101900102

班级：1019001

姓名：金祖儿

摘要：本文阐述了各种新型压电材料的性能和各种特性的应用。从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。

关键词:压电材料压电效应压电陶瓷材料压电复合材料高居里温度压电陶瓷制备技术; 研究现状; 应用

压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、电话要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等。压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。压电材料还可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。

压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。

1880 年居里兄弟发现了压电效应，从而开创了压电学的历史。但是压电材料真正获得广泛的应用还是在1955 年发现压电陶瓷之后。压电器件最早采用的材料是石英晶体，接着是BaTiO3、Pb（Zr，Ti）O3 等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前压电材料主要研究热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料以及高居里温度压电材料，细晶粒压电陶瓷，无铅压电陶瓷材料等。

(一)压电陶瓷

20 世纪40 年代发现了BaTiO3 压电陶瓷, 并于1947 年制成器件, 这对压电材料的发展具有重要的意义[ 6] 。50 年代初出现了钛锆酸铅系( PZT) , 其性能远远优于BaTiO3, 后来又出现了PLZT 透明铁电陶瓷。压电陶瓷大多是ABO3 型化合物( 结构如下图) 或几种ABO3 型化合物的固溶体, 应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆酸铅系( PZT) 陶瓷。钛酸钡陶瓷( BaTiO3) 的晶体属于钙钛矿型( CaTiO3) 结构, 其中氧形成氧八面体, 钛原子位于氧八面体的中心, 钡则处于8 个八面体的间隙。在室温下BaTiO3 是属于四方晶系; 当温度升高到120 e 以上, 四方相转变为立方相, 属于顺电相; 在0 e 附近四方相转变为正交晶系。BaTiO3 具有较好的压电性, 它是在锆钛酸铅陶瓷出现前最为广泛使用的压电材料。但因其居里点不高( 120 e ) 而只能在有限的温度范围内工作。另外在常温下其介电性和压电性也不稳定, 在第二相变点( 0 e ) , 当相变时其介电性

和压电性有显著的改变等缺点。为了改善这一状况,往往在BaTiO3 中加入第二相。最常加入的是CaTiO3 和PbTiO3。加入CaTiO3 不能改变高居里点, 但是可以大大降低第二相变温度, 加入量一般在8% mol 以内, 过多会使压电性能降低。加入PbTiO3 能提高居里点, 同时降低第二相变点, 加入量一般在8% mol 以内, 过

多同样使压电性能变差。因此就出现了以BaTiO3 为基础的BaTiO3- CaTiO3系和BaTiO3 - PbTiO3 系陶瓷等。

(二)压电聚合物

聚偏氟乙烯( PVDF)PVDF: ( CH2CF2 ) n 形成链状化合物,n( > 10000) 为聚合度。从结构分析得知这种材料中晶相和非晶相的体积各约占50%。PVDF 有A、

B、C和D4 种常见的晶型。铁电相只存在于B相中。

(三)奇数尼龙

尼龙11、尼龙9、尼龙7和尼龙5都是由X一氨基酸与偶数基团( - CH2) 2n 形成的聚酰胺。其铁电性源于酰胺基团的电偶极矩, 自熔体淬火并经拉伸后就发生与膜面垂直的自发极化。其压电常量比PVDF 低, 但在室温到150 e 的范围内, 压电常量( 如d31, g31) 将随温度升高而大幅度增大。P( VDF 一TrFE) 共聚物

P(VDF ) TrFE ) 共聚物是偏氟乙烯( VDF) 和三氟乙烯( TrFE) 的共聚物, 可以看作是PVDF 中的VDF 单体部分被TrFE 单体取代所形成。其铁电性也是源于B相的PVDF, 这种材料更适用于医用超声换能器或压力传感器。

(四)新型压电单晶

近年来, 对新的压电晶体弛豫型铁电单晶铌镁酸铅- 钛酸铅[ ( 1- x) Pb (Mgl/ 3Nb2/ 3) O3 - XPbTiO3],弛豫铁电体( 1- x) Pb( B1B2) O3- xPbTiO3(B1= Mg, Zn, Ni, Fe, Sc, In; B2 = Nb, Ta, W) 是具有复合钙钛矿结构的赝二元固溶体, 随着PbTiO3( 简称PT) 含量的增加, 发生成分诱导的结构相变。20 世纪八十年代初, J. Kuwata 等[ 11] 用助熔剂法生长出了能用于压电性能表征的PZN- PT单晶, 其压电性能已经远远高于PZT 系压电陶瓷。

(五)压电复合材料

压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的, 通常见到的是由压电陶

瓷( 例如PZT, PbTiO3)和聚合物( 例如聚偏氟乙烯或环氧树脂) 组成的两相复

合材料。这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点, 与传统的压电陶瓷( 或与压电单晶)相比, 它具有更好的柔顺性和机械加工性能, 克服了易碎和不易加工的缺点, 且密度Q小, 声速v 低( 声阻抗力Qv 小) , 易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与聚合物压电材料相比, 它具有较高的压电常数和机电耦合系数, 因此灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料所没有的新特性,例如, 当电压材料与磁致伸缩材料组成的复合材料就具有磁电效应。

(六)无铅压电陶瓷

随着环境问题的日益严峻, 人们开始对研究过的材料生产及使用进行重新审视。更新日益恶化的环境以及改变大量消耗不可再生资源的状况迫在眉睫。因此, 发展环境协调性材料( 绿色材料) 及技术是材料发展的趋势之一。日本在无铅压电陶瓷的研究和开发上, 论文和专利的数量最多, 在世界上占主导地位。但总体上讲, 无铅压电陶瓷的性能与铅基陶瓷相比, 还存在较大的差距,要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系, 还需进行大量深入的研究工作。最近几年, 钛酸铋钠( Na1/ 2, Bi1/ 2)Ti03( BNT) 系统和含铋层状结构无铅压电陶瓷的研究和开发极为活跃, 它们有可能在某些电子产品中得到实际应用。在我国, 无铅压电陶瓷的研究课题已经列入最新的国家/ 8630计划。

(七)弛豫铁电单晶体

1997 年国际上在弛豫铁电单晶体的研究上取得了突破性进展, 成功地生长出接近实用要求的大尺寸PMNPT 和PZNPT 单晶体, 其机电耦合系数k33高达92%以上, 压电系数d332000 @ 10- 12C/N, [ 001] 方向上的电致应变为1. 7%, 储能密度达到了130J/ kg。所有这些指标均远超过了现有的各种电致伸缩材料和压电材料, 为医学超声成像、声纳探测、高应变驱动器、高密度储能器和机敏材料系统提供了一种前所未有的新材料, 引发了这一领域的革命性变革。

(八)压电陶瓷,高聚物复合材料

目前压电复合材料研究在国际上异常活跃,自Newnham 提出连通性概念及10 种连通模式之后, 20 多年来此类材料发展十分迅速。应用范围也从压电传感器、水声器扩展到无损探伤、宽带横波换能器、非均匀振动换能器及智能材料系统等领域。为使压电复合材料具有更精密的空间结构, 一系列新的成形工艺, 包括脱模法、注模成形法、遗留法、层压法、纤维编织法、共挤出法等应运而生, 可获得精度在50~ 100Lm 甚至20Lm 左右的精细结构。新兴的快速成形工艺为制作几何形状独特的压电高聚物复合材料提供了可能。314 压电薄膜，随着微机电系统技术的迅速发展, 实现电子器件概念上的突破在很大程度上推动了从体材料研究向薄膜材料研究的转变。薄膜易于满足对几何尺寸的要求, 成本低于昂贵的单晶铁电材料。20 世纪90 年代初兴起的铁电薄膜发展十分迅速。压电薄膜的制备方法主要有溶胶- 凝胶法(Sol- Gel) 、射频磁控溅射、金属有机物化学气相淀积(MOCVD) 、脉冲激光沉积( PLD) 、分子束外延(MBE) 、LSM- CD( 液态源雾化化学沉积) 等, 而如何制备择优取向的PZT 铁电薄膜, 以获得最优的薄膜压电性能, 满足微型驱动器日益增长的使用要求.

(九)纳米压电陶瓷

日本名古屋国立工业研究院陶瓷科学部工程陶瓷实验室基于钛锆酸铅( PZT) 与粘性极好的金属( 如Ag 和Pt ) 粉末合成的纳米复合材料, 开发出新的长寿命的纳米结构压电陶瓷。陶瓷的断裂强度是100~ 150MPa, 断裂韧度超过1. 0~ 1. 5 MPa。与传统的PZT 相比, 抗裂纹扩展性能高3、4 倍。在交流电压下, 反复加载疲劳测试表明该材料明显能抵抗裂纹扩展。新型压电陶瓷有极好的机械和电性能, 应用前景广阔。

具体的压电材料的实际应用

生物领域

将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压电陶瓷来实现生物仿生; 纳米发电机用氧化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液流动产生的机械能转变为电能, 供给纳米器件来检测细胞的健康状况PVDF 薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中。

军事方面

压电材料能在水中发生、接受声波, 用于水下探测、地球物理探测、声波测试等方面; PZT 薄膜因其热释电效应而应用在夜视装置、红外探测器上; 利用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动控制;压电复合材料用在压力传感器检测机身外情况和卫星遥感探测装置中。

光电信息领域

压电材料具有电光效应、非线性光学效应、光折变效应等光电特性, 在光电方面的应用有声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等; 利

用压电材料的压电效应和热释电效应可以对外界产生的信号进行处理、传输、储存, 用在机器人和其它智能结构中, 用PVDF 压电材料制成触觉传感器已能感知温度、压力及识别边角棱等几何特征。

可再生能源

利用压电效应收集海浪、风力、人力、汽车产生的振动能量实现机械能的再生利用。危机电系统可以为各类小型装置提供平均输出功率为250-950W的电源, Platt 等用多层压电振子实现小体积压电结构的高能量输出, 通过电路并联输

出30V 左右的开路电压; 海浪发电利用海浪对压电材料的拉伸和放松, 通过电

子元件变成为低频高压电流; 时速为16 公里的微风挤压或伸展微型风车中的压电材料便可产生7. 5mW 的电能, 能将18% 的风能转化为电能; 发电鞋[ 16] 通过脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电流, 在标准体重和步幅下能产生

250mW 的能量; 汽车行驶中产生的振动冲击能具有很高的能量密度, 利用高效

压电材料及动力机械结构进行发电成为可能。以色列Innowat tech 公司在路面沥青中铺设大量压电晶体, 通过汽车驶过时的压电转换已成功产生电流并点亮

灯泡。

1)高温压电材料研究现状：ＳｉＯ２是最早被应用到器件中的压电材料之一，由于其谐振频率稳定，且温度稳定性好，被广泛应用于生产控制和管理所有通讯系统频率的重要元件中，如时钟、微处理器等。偏铌酸铅（ＰＮ）具有钨青铜结构，其机械品质因数（Ｑｍ）值低，ｄ３３与ｄ３１比值高，被广泛的应用于无损检测（ＮＤＴ）和医学诊断领域。铌酸锂（ＬｉＮｂＯ３）和钽酸锂（ＬｉＴａＯ３）在结构与性能相似，常称它们为具有铌酸锂型结构的晶体。并具有良好的压电性、热释电性、铁电性、电光和非线性光学性能，因而被广泛的用来制作高温换能器、滤波器、热释电红外探测器、激光调制器和倍频器等多种功能器件。

2)压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是具有机械能和电能互相转换功能的陶瓷材料。利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置；用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，进行超声清洗；还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷非常敏感，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，敏感程度甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，可用于声纳系统、气象探测、环境遥测、地震预测等。

3)压电高聚物被认为是机器人用传感器的理想材料。它具有耐磨、量轻、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂的表面、价格便宜、频带宽等特点。应用压电功能的伶感器有触觉传感器，加速度传感器，接近觉传感器(距离传感器)。反用热释电功能的传感器有接近觉传感器( 安全传感器)，接触觉传感器(分布型)，材料识别传感器，红外线摄像装置。

4)压电纤维复合材料在结构减振中的应用，压电纤维复合材料可设计自传感驱动器，并将其应用于梁的频响辨识。将该材料用于飞机垂尾的减振系统，目的是为了抑制在飞行过程中产生的振动和测试压电纤维复合材料在尾翼振动主

动控制方面的性能表现。试验结果表明，该材料具有良好的传感和驱动性能，并且减振效果优于压电陶瓷。

5)压电材料在微型电子设备自供能技术中的应用，由于压电材料特有的机电转换特性, 许多能量采集器都采用压电材料(元件) 作为能量转换、输出部件。

通过和其他材料机构复合, 压电材料也能将机械能以外的能量形式转换成电能输出，实现多种形式能量采集。柔性结构中的压电材料由于其独特性质正在以日益增长的速度在振动，测量和控制上中得到广泛的应用. 在具有整体控侧体系的智能结构的感应和控侧上, 利用压电材料, 可以很容易地得到柔性结构的准确的响应监测, 从而对其进行有效的控制。

6)压电变压器是一种基于压电效应的固体电子器件，它利用压电陶瓷材料的正压电效应和逆压电效应,完成机械能与电能之间的相互转换,实现电压的高低变换。压电变压器最典型的应用之一就是驱动CCFL(cold cathodefluorescent lamp,冷阴极管。DC-DC( 直流直流) 变换器远远轻于传统的电磁式变压器,而且能量密度、效率可以大大提高。压电变压器具有高功率密度、高电流隔离、低电磁干扰等优点,在某些应用领域可以替代电磁变压器。充分利用其优点,不仅可以实现变换器的微型化, 还可以解决功率电子学中存在的电磁干扰(EMI)问题。

7)压电驱动器是利用压电体逆效应形成机械驱动或控制的一类装置。由于压电体具有反应快、精度高和抗干扰等优点, 因而由其所构造的驱动与控制装置结构简单、反应敏捷, 目前已被开发出的压电驱动与控制装置主要有超声波电动机、精密驱动器等, 并在国防、生物医学、光电子等诸多领域获得成功应用。

8)压电材料在智能材料系统中的作用，如压电陶瓷驱动器( piezo Ceramic Actuator)，压电材料在智能材料系统与结构中也可做传感器使用。因为压电陶瓷和压电聚合物对于所加应力产生可测量的电信号。压电纤维的一个重要应用是可制成压电纤维复合材料( PFC) , 这是传感和驱动集于一身的机敏材料, 自适应结构应用智能材料系统与结构的特征之一是能够自适应环境的变化, 实现结构形状和振动的控制。这对于航空和航天飞行器是生命攸关的。压电纤维复合材料( PFC) 为自适应结构提供了一种良好的材料。以及阻尼降噪应用，为了实现传感器和驱动器微型化以及制成复杂形状, 似可移植半导体工业中的技术, 如光刻。为了使光刻技术易于在陶瓷上进行, 可以把易于用紫外线修复的聚合物材料加入到陶瓷带铸( ta pe-casting) 工艺中去, 这种工艺可能在智能材料系统制备陶瓷叠层结构中得到广泛应用。传感和驱动功能与控制系统结合起来的办法可采用在硅芯片集成电路上沉积电子陶瓷膜。

压电材料已在信息、生物、军事及新能源等领域得到广泛应用, 随着现代科学技术的发展, 压电材料工艺的不断改进, 相信压电材料会遍及到人们日常生活的每个角落, 而且压电材料的制备技术和应用开发仍将是人们关注的热门话题。

文献：

[1]付博王辉孙杰 .压电材料的研究与发展.

[2]高国伟. 高分子压电材料在机器人传感器中的应用

[3] 何超, 陈文革. 压电材料的制备应用及其研究现状.

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[5]杨胜贵游云学.压电变压器应用研究.

[6] 文玉梅. 压电材料在微型电子设备自供能技术中的应用.

[7] 田莳徐永利.智能材料系统和结构中的压电材料.

[8]刘军凯.高居里温度压电材料研究进展.

[9]付晓鸥. 压电材料的物理特性及应用.

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[11] 吴博达鄂世举杨志刚程光明.压电驱动与控制技术的发展与应用.

[12]侯志伟陈仁文徐志伟刘强. 压电纤维复合材料在结构减振中的应用.

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

压电效应及应用

压电效应应用及现状 [编辑本段] 一、原理： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、应用： 压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。 1、换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件 压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。 压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。 2、压电驱动器 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P （VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。

常用的压电材料分类

常用的压电材料分类 第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。 压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT 等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切

型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。 第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。 第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

压电效应及其原理

压电效应及其原理 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 两种压电效应的关系 可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效 的材料必然具有逆压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。

压电效应及其应用

压电效应及其应用叶传忠 接触了这么多的实验，我始终对压电效应这个实验最感兴趣。因为我认为这个世界压力资源太丰富了，由于重力的存在，水平运动的物体都会产生压力。压力是一种能源，但是目前无法对压力直接进行利用，只有通过压电的转换对压力进行利用。但是压电转换的效率太低，这是一个问题。我对压力资源感兴趣，应先对压电效应进行思考！ 压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 打火机 目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件，

压电晶体 有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。 压电高分子 压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料，但是其压电率太低，而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。 压电陶瓷 压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。 在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。 在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压

压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快

压电材料概述

压电材料概述 齐鹏飞 0900501331 中国计量学院材料学院09材料3班，杭州 310018 摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。 关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器， 医学成像等。 1、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即， 居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压 电体会产生形变。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较 低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的 相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏 观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面 法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端 面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。 2、压电材料的发展与应用 自从1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足的进展。第二次世界大战期间，磷酸二氢铵(ADP)、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。1921年，J．Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。其铁电性引起了科学界的广泛关注，并为了解释其铁电性提出各种铁电模型，从而促进了诸如LiNb03、LiTa03的各种类型的压、铁电晶体的出现。 1947年s．Robert发现BaTiO3。的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅(PZT)陶瓷的具有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3 陶瓷的一倍。在以后的30年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料.PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。近十年来，以PT ／PZT为基础，各种新型的功能陶瓷得到快速发展，对其进行性能改进的主要手段主要是在其化学组成上添加含Bi3+、W6+、Nb3+、La3+等高价离子氧化物或者K+、Mg2+、Fe3+等低价离子氧化物，将PZT材料变成相应的“软性材料”或“硬性材料”，其应用领域各不相同。在PZT中入PWN可制成三元系压电陶瓷(P04)，国内的压电与声学研究所张福学在PZT中加入PMS制成了PMS三元系压电陶瓷材料等等，这些被改进的PZT材料其综合性能都有显著的提高，可应用于各种不同环境领域。由于以上几种基于PZT／PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如SiBi4TiO等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。 1956年B．T．Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。1968年先后发现了硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。1969

压电材料及其应用

压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118

压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作

(工艺技术)压电陶瓷的压电原理与制作工艺

压电陶瓷的压电原理与制作工艺 1. 压电陶瓷的用途 随着高新技术的不断发展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。 表1压电陶瓷的主要应用领域举例

2. 压电陶瓷的压电原理 2.1压电现象与压电效应 在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。 2.2压电陶瓷的内部结构 材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，因而要了解压电陶 瓷的压电原理，明白压电效应产生的原因，首先必须知道压电陶瓷的内部结构。 2.2.1压电陶瓷是多晶体 用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识： (1) 压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则镶嵌”而成，如图1所示。 图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片 (2) 每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶, 如图2所 示。 图2原子在空间规则排列而成晶格示意图 (3) 每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。

图3 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片 （4）整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4所示。这样的结构，我们称其为多晶体。 图4压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图 2.2.2压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 （1）晶胞结构 目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、 K x Na i-x NbO3、Pb（Zr x Ti i-x）03等。 该类材料的化学通式为ABO3。式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图5所示。 晶咆W氧八面体 图5钙钛矿型的晶胞结构

论压电效应原理及在陶瓷材料方面的应用

论压电效应原理及在陶瓷材料方面的应用内容摘要:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是信息时代的新型材料压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。 关键词:压电效应、正压电效应、逆压电效应、原理、应用、陶瓷材料、压电陶瓷、铁电陶瓷、功能陶瓷、新型材料、电极化。 在信息与科技迅速发展的时代，压电效应的原理无论是在科研方面还是在人们的日常生活中都有广泛的应用。 所谓压电效应的原理就是如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。 具体的而言正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 而逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变 形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效

压电效应原理及其运用

压电效应原理及其运用10印1 周文勇100210129 压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电效应产生的根本原因是在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的一种现象。压电效应表明了石英晶体的力学性质和电学的耦合 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中也占有重要的地位。压电效应在生活中的运用十分广阔，比如我们常用的打火机就是运用压电效应来点火的。 压电效应的运用： 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。 测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。随着技术的发展，压电效应的运用在生活中运用越来越广泛。

压电材料的应用

压电材料的应用 专业：材料科学与工程 学号：1101900102 班级：1019001 姓名：金祖儿

摘要：本文阐述了各种新型压电材料的性能和各种特性的应用。从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。 关键词:压电材料压电效应压电陶瓷材料压电复合材料高居里温度压电陶瓷制备技术; 研究现状; 应用 压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、电话要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等。压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。压电材料还可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。 压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。 1880 年居里兄弟发现了压电效应，从而开创了压电学的历史。但是压电材料真正获得广泛的应用还是在1955 年发现压电陶瓷之后。压电器件最早采用的材料是石英晶体，接着是BaTiO3、Pb（Zr，Ti）O3 等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前压电材料主要研究热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料以及高居里温度压电材料，细晶粒压电陶瓷，无铅压电陶瓷材料等。 (一)压电陶瓷 20 世纪40 年代发现了BaTiO3 压电陶瓷, 并于1947 年制成器件, 这对压电材料的发展具有重要的意义[ 6] 。50 年代初出现了钛锆酸铅系( PZT) , 其性能远远优于BaTiO3, 后来又出现了PLZT 透明铁电陶瓷。压电陶瓷大多是ABO3 型化合物( 结构如下图) 或几种ABO3 型化合物的固溶体, 应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆酸铅系( PZT) 陶瓷。钛酸钡陶瓷( BaTiO3) 的晶体属于钙钛矿型( CaTiO3) 结构, 其中氧形成氧八面体, 钛原子位于氧八面体的中心, 钡则处于8 个八面体的间隙。在室温下BaTiO3 是属于四方晶系; 当温度升高到120 e 以上, 四方相转变为立方相, 属于顺电相; 在0 e 附近四方相转变为正交晶系。BaTiO3 具有较好的压电性, 它是在锆钛酸铅陶瓷出现前最为广泛使用的压电材料。但因其居里点不高( 120 e ) 而只能在有限的温度范围内工作。另外在常温下其介电性和压电性也不稳定, 在第二相变点( 0 e ) , 当相变时其介电性

压电材料的研究

摘要：本文阐述了各类新型压电材料的性能和应用。从压电材料的压电效应入手，介绍了压电材料的分类及发展应用。针对不同类型的压电材料在实际生活中的应用情况，概述了近年压电材料的研究状况，并系统地简介了压电材料在各个领域的应用和发展。 关键词：压电材料压电效应压电材料的分类研究方向实际应用压电材料的应用遍及大家日常生活的各个角落，人们几乎每天都在应用压电材料。香烟、电热水器、汽车发动机等的点火装置要用到压电点火器；电子手表、声控门、电话等要用到压电谐振器或者是蜂鸣器；收音机要用到压电微音器、压电扬声器；数码相机要用到压电马达等等。 压电材料不仅在工业和民用产品上使用广泛，在军事上也有大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。 压电材料还应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。 一、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家居里兄弟发现：把重物放在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，产生的电荷量与其承受的压力成比例，这一发现被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应：即在外电场作用下，压电体会产生形变。 压电效应表现为：当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生形变时，其内部会发生极化现象，同时在它的两端出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当去除外力后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。 二、压电材料的分类 我们可以将压电材料分为以下六类： （1）单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；

压电材料的物理特性及应用

压电材料的物理特性及应用 压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。 自然界中天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷和有机高分子材料都是压电效应比较明显的压电材料，其应用也很广泛。 一、石英晶体的压电特性及其应用 石英晶体俗称水晶，成分是二氧化硅（SiO2），它是一个正六面体，有三个坐标轴，Z轴是晶体的对称轴，称为光轴，在这个方向上没有电压效应；X轴称为电轴，垂直于X轴晶面上的电压效应最明显；Y轴称为机械轴，在电场力的作用下沿此轴方向的形变最显著。 用水晶制作压电石英薄片，在交变电场中，这种薄片的振动频率稳定不变，因此被广泛应用于无线电技术中，用来控制频率。彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，以保证图像和声音的清晰度。装有压电晶体元件的仪器可以测试蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化，测量管道中流体的压力。压电晶体还被广泛应用于声音的再现、记录和传送。 压电式加速度传感器是一种测试加速度的装置，主要由两块压电晶片、质量块、弹簧和基座构成。测量时，传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受到质量块惯性力的作用。根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即：F＝ma。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上，在压电晶片的两个表面上就产生交变电荷（电压），输出电量由传感器输出端引出，可以根据输出电荷测试出试件的加速度。如果在放大器中加进适当的积分电路，也可以测试试件的振动速度或位移。 二、压电陶瓷的物理特性及其应用 压电陶瓷是一种人工制造的多晶体的压电材料，属于铁电体类，具有类似磁畴的电磁结构。内部具有许多自发极化的电畴，在无外加电场时，各个电畴杂乱排布，极化强度相抵为零，没有压电特性；加外加电场时，电畴极化沿电场方向有序排列，当外加电场大到使极化饱和时，即所有的电畴都极化时，即使去掉外电场，电畴的极化方向也不变，剩余的极度强度也很大，这是压电陶瓷才具有的压电特性。