压电材料ppt课件.ppt

压电材料 1 压电材料 一认识压电材料二压电效应三压电材料的应用 2 一认识压电材料 压电材料是一种能够将机械能和电能互相转换的功能材料 属于无机非金属材料 这是一种具有压电效应的材料 1880年居里兄弟首先发现电气石的压电效应 从此开始了压电学的历史 1881年居里兄弟实验验证了逆压电效应 给出石英相同的正逆压电常数 1940年以前铁电体 3 一认识压电材料 1942年在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电压性 飞跃 但与两类铁电体相比也有缺点 50年代美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器 高频换能器 压力传感器 滤波器等的应用研究 1955美国B Jaffe等人更优越的PZT压电陶瓷 促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步 后来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 4 一认识压电材料 压电材料有哪些 1 天然晶体 石英 电气石 2 人工陶瓷 pbTiO3PZT 锆钛酸铅 3 高分子材料 PVDF 聚偏氟乙烯 5 二压电效应 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下 产生形变 引起介质表面带电 这是正压电效应 反之 施加激励电场 介质将产生机械变形 称逆压电效应 这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域 以实现能量转换 传感 驱动 频率控制等功能 6 二压电效应 压电效应的物理机制 1 石英晶体 如图示 晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏 导致使晶体的电中性被破坏 从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的 7 二压电效应 压电陶瓷 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同 未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的 压电陶瓷经极化处理后 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷 一端为正 另一端为负 由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷 并使整个压电陶瓷片呈电中性 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力 压电陶瓷片将会产生形变 片内束缚电荷层的间距变小 一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强 而使表面的自由电荷过剩出现放电现象 当所受到的外力是拉力时 将会出现充电现象 8 二压电效应 两种压电材料的特点石英晶体 居里点温度高 高达573 稳定性好 无热释电现象 但压电常数小 成本高 压电陶瓷 压电常数大 成本低 但居里点温度低 稳定性不如石英晶体 有热释电现象 会给传感器带来热干扰 利用热释电现象特性可以制作热电传感器 如红外探测 图石英晶体的外形 a 天然石英晶体 b 人工石英晶体 c 右旋石英晶体理想外形 9 三压电材料的应用 由于压电效应具有两方面的特征所以其应用也分为两方面 应用分类 10 三压电材料的应用 正压电效应的应用 压电陶瓷点火器这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置 是机电换能器 1958年开创利用钛酸钡 BaTiO3 陶瓷的压电效应进行点火 但这种材料着火率不高 噪音大 1962年开始试用锆钛酸铅 PZT 压电陶瓷制作点火器 这种点火器广泛应用日常生活 工业生产以及军事方面 用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆 11 1 点火器工作过程点火器工作过程分高压产生 放电点火和点燃可燃气体三个阶段 高压产生 以圆柱形压电陶瓷元件为例 如图5 2所示 当机械力F作用于圆柱体时 晶体发生畸变 导致晶体中正负电荷中心偏移 从而在圆柱体上下表面出现自由电荷大量积聚 产生高压输出 放电点火 把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中 并留一个适当间隙 当电压升高到该间隙的放电电压时 间隙中就产生放电火花 点燃可燃气体 三压电材料的应用 12 三压电材料的应用 2 点火器结构和工作原理点火器种类繁多 现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理 如图所示的点火器 可固定在家用灶具上点燃煤气 转动凸轮开关1 利用凸轮凸出部分推动冲击块3 并压缩冲击块后的弹簧2 当凸轮凸出部分脱离冲击块后 由于弹簧弹力作用 冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力 便在压电元件两端产生高压 并从中间电极5输出高压 产生电火花点燃气体 13 三压电材料的应用 在打火机 煤气灶 燃气热水器等用具上都可以见到它的踪影 14 三压电材料的应用 15 三压电材料的应用 逆压电效应的应用 压电陶瓷风扇利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇 具有体积小 不会发热 无嘈声 低功耗 寿命长等优点 图1是一个压电陶瓷弯曲变形器 它由两片压电陶瓷片夹一金属薄片构成 陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动 若两片陶瓷片加反向电压 则一边收缩另一边伸长 使金属片弯曲变形 若外加交变电压 金属片将作周期性振动 压电陶瓷风扇是由两个弯曲变形器组成 如图2 接通交流电源后 两叶片就按箭头方向做往复振动 产生的风量可达0 42立方米 分钟 16 三压电材料的应用 17 压电材料的广泛应用 压电陶瓷 18 压电材料的广泛应用 打火机 热水器电子点火器报警器 电话压电谐振器蜂鸣器笔迹和声音等身份验证压电传感器医用超声仪 声纳压电陶瓷探头电视机 手机滤波器变压器喇叭数码相机 摄像机 压电马达 19 补充 声纳 在海战中 最难对付的是潜艇 它能长期在海下潜航 神不知鬼不觉地偷袭港口 舰艇 使敌方大伤脑筋 如何寻找敌潜艇 靠眼睛不行 用雷达也不