压电材料力学性能优秀课件

材料力学性能 演讲主题 压电材料的应用学院 动力与机械学院班级 08级材料一班小组成员 石振斌田飞周继恒 1 1880年居里兄弟首先在石英晶体上发现了压电效应 压电材料由此被人所关注 2 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 再比如我们经常看到的打火机也是由一块压电材料来引燃的 那么 什么是压电效应呢 3 压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合 其分为正压电效应和逆压电效应两种 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 这种没有电场作用 只是由于应变或应力 在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应 当在压电晶体上加一电场时 晶体不仅要产生极化 还要产生应变和应力 这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应 或称电致伸缩效应 4 5 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 利用压电材料的这些特性可实现机械振动 声波 和交流电的互相转换 因而压电材料广泛用于传感器元件中 例如地震传感器 力 速度和加速度的测量元件以及电声传感器等 6 压电材料的发展 第一阶段 从发现压电效应之年 188O年 起至第一次世界大战间 压电效应并未引起人们足够重视 故压电材料实际上尚未进入实用阶段 第二阶段 第一次世界大战 1914 l915 到第二次世界大战 1940 1945 期间 受到战争的刺激 人们才真正重视起压电材料的研究 1916年郎之万 Langevin 用压电石英晶体作成水下发射和接收的换能器 并用回波法探测沉船和海底 1921年相继研制成功石英谱振器和滤波器 开创了压电晶体在频率控制和通讯方面的应用 在1942 1943年期间 苏联 美国和日本几乎同时发现了BaTiO3 这是在此期间的一个重要发现 第三阶段 从第二次世界大战结束后到六十年代 是压电材料及压电理论发展的最有成效的时期 其中 1947年首次发表的关于经极化的BaTiO3陶瓷压电性及其应用 具有划时代的意义 目前 生物压电学已经兴起且已经取得了不少进展 对生物 包括人体组织 压电性的研究 甚至对控制生物生长 揭示生理功能秘密都具有重大科学意义 7 压电材料的种类自40年代中期出现了BaTiO3陶瓷以后 压电陶瓷的发展较快 两个分支 一是晶体和陶瓷材料 另一是柔性材料 高分子聚合物 8 钛酸钡 机电耦合系数较高 化学性质稳定 有较大的工作温度范围因而应用广泛 早在40年代末已在拾音器 换能器 滤波器等方面得到应用 钛酸铅 结构与钛酸钡相类似 其居里温度为495 居里温度下为四方晶系 其压电性能较低 锆酸铅 为反铁电体 具有双电滞回线 锆钛酸铅 PZT 为二元系压电陶瓷 该压电陶瓷在四方晶相 富钛边 和菱形晶相 富锆一边 的相界附近 其耦合系数和介电常数是最高的 其它压电陶瓷材料 钨青铜型 含铋层状化合物 焦绿石型和钛铁矿型等非钙钛矿压电材料 它们具有很大的潜力 此外硫化隔 氧化锌 氮化铝等压电半导体薄膜也得到了研究与发展 70年代以来 为了满足光电子学发展需要又研制出掺镧锆钛酸铅 PLZT 透明铁电陶瓷 用它制成各种光电器件 9 由于压电材料所独有的正压电效应和逆压电效应 可以很好的实现机械能和电能之间的相互转化 是一种非常有价值的新型材料 可以说自从该材料被发现开始就被众人所关注 压电材料在生活生产中起到了巨大的作用 目前研究的最多 最具应用前景的小型发电装置是利用电磁和压电原理制作的 压电材料的应用 10 压电材料的妙用 压电发电鞋压电发电鞋的原理就是把发电装置植入鞋底 通过走路时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电荷 从而驱动发光二极管而发光 11 压电式袖珍风车美国德克萨斯州大学的电子工程师沙善克普罩亚发明了一种可以为无线嘲络供电的袖珍风车 这种风车周长大约10cm 它附在一个旋转凸轮上 当凸轮旋转时可使一系列压电晶体不断伸缩 当压电材料被挤压或伸展时便会产生电能 时速为16Km的微风便可以产生7 5mW的持续电能 这足以保证一个电子传感器的运转 可以为完整的无线传感器网络供电 与利用风力涡轮机为电网供电的常规发电机相比 一个压电发电机的转化效率能达到18 12 肌肉压电发电系统美国凯斯西储大学生物医学工程学院路瓦德斯基等人提出依靠肌肉的运动来提供动力的压电发电系统 经模拟 该发电机可以提供690uW的电能 该机构可用于驱动内置于人体中的医疗机械 市场前景广阔 13 人工耳蜗感音神经性耳聋绝大部分源于内耳毛细胞的损伤 导致不能将声信号转换为电信号 然而声音传入通道保持畅通 而且听神经的神经纤维仍有相当数量存活 仅仅是不能进行声电转换从而导致了病人不能获得正常听力 为了提高聋耳的听力 将压电材料植入到耳蜗内 利用压电效应直接将声波转化为电信号刺激听神经 以提高听力 14 近些年来 随着社会的发展 科技的进步 生活水平的不断提高 人们的健康观念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化 家庭医疗就是适应当前社会发展需要 将当代高新技术与临床医疗相结合的产物 并已成为当今世界医疗领域的研究热点 家庭医疗实现医疗进入家庭 可以在家中对病人实施诊断 治疗 康复和保健 家庭医疗符合现代社会日益老龄化 医疗费用日益高涨以及人们对身体健康标准不断提高的趋势 同时家庭医疗网络化可以提高边远地区的医疗水平 因此 家庭医疗的发展具有强大的生命力 15 同时 随着我国人口老龄化的加剧 心脏疾病的患病率也越来越高 据统计 目前有1亿以上的人患有高血压 每年大约有75万人死于心脏疾病 心血管疾病的患病率仍在逐年上升 而且呈低龄化趋势 临床医学实践表明 对于心脏疾病的防治 最有效的手段就是预防和保健 在对心脏病患者进行经常性监测的基础上 尽早发现异常病变情况 及时进行治疗 以控制病情的进一步发展 16 心电图作为一种无创伤检查手段 经过大量的临床研究 证明对心脏肥大 心肌梗塞及其梗塞部位具有决定性的诊断价值 对某些心脏疾病 如心肌炎 心包炎 药物中毒等引起的心脏病变具有辅助诊断意义 心电图 心电图 ECG 是利用心电图机记录的心脏每一心动周期电活动变化的曲线图形 是心脏病诊断的重要依据 图2 1正常心电图波形组成及测量示意图 17 当前市面上心电检测设备在设计时都侧重于供医院和社区医疗使用 而对适合家庭使用的便携式心电检测设备存在的问题研究较少 现有心电检测设备对家庭使用来说还存在较多问题 例如价格昂贵 专业性强 用户操作不便 智能化比较低等缺点 因此 研究开发适合预防保健的便携式心电检测系统有着重要的意义 18 由于压电材料独有的压电效应和逆压电效应 自身可以能够完美的实现机械能和电能的转化 因此我们设想在设计一种由压电材料构成的传感器 置于心脏中 利用心脏自身不断的跳动对压电材料产生不断的挤压产生电能提供自身传感器的运行 同时在体外设置一个心电图显示器 将传感器中的信号传送到外设仪器上 同时可以通过网络输送到医院 让医生随时了解到病人的情况 从而实现很好的实时监控 19 目前比较常用的包括植入式心脏起博器 ICD 背负式 心脏监控仪 但是对于心脏的长期监控和便捷性都远远不足 如改用压电材料 那么心脏监控仪便可以大大减小体积 之前类似的心脏起搏器需要火柴盒大小 改用压电材料后只需要纽扣电池大小便可 更加方便植入并且不会影响生活 从心脏获取的信息可以通过发射器连接到PC终端 并及时发送到医院监控信息中心 可以更快更方便的监控病人信息 20 两边的放大层采用和身体没有刺激的材料制成 发达心脏的收缩幅度 同样保护着压电材料不会因为摩擦对心脏造成伤害 芯片将电信号转变为数字信号并且通过发射器发射到附近的接收器终端 21 由于心脏肌肉结构十分复杂 对于监控设备的植入也十分考究 根据现在的医学研究 心脏的肌肉的收缩机制和骨骼肌类似 沿长轴绕心室壁呈螺旋状收缩运动 由于轴向的拉伸会在纵向肌肉间产生挤压力 所以在肌肉纤维间植入监控器可以在最低的破坏程度下达到最好的效果 22 监控仪本身虽然有压电材料 但是其芯片和信号发射装置的耗电量不是压电材料可以供给的 所以仍需要配备电池 可以采用和植入式起搏器相同的微型电池 只需要5到7年更换一次便可 在芯片接受到信号之后 不需要进行处理 只需要通过发射装置将数字信号发射给患者准备的终端便可 由于WIFI的发展 信号可直接连接PC 通过互联网发送专门的监控部门便可 如有异常可以以最快的速度进行救治 23 24