材料科学与材料世界之期末展示 (1)

1、材料科学与材料世界之期末展示压 电 材 料研究课题： 压电材料 姓名学号：王小莉（20102304048）赵豆豆（20102304032）李青子（20102304030）谭秋娴 （20100101141）目录一、引言：3二、压电材料的定义：4三、压电材料的发现：4四、压电效应的原理：4五、压电材料的分类：51、第一类是无机压电材料52、第二类是有机压电材料6六、压电材料应用：61、换能器：62、压电驱动器73、传感器上的应用84、在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）9七、压电材料的发展现状：91、细晶粒压电陶瓷92、PbTiO3系压电材料103、压电陶瓷-高聚物复合材料104、压电性特异的多

2、元单晶压电体10八、压电材料的最新研究方向：11九、关于压电材料的应用设想：121. 纳米压电材料有望使未来手机不再充电122. 压电材料特制地板，让绿色家居成为可能12一、 引言： 材料的世界奇幻无穷，高深莫测，繁琐的研究，复杂的原理，让人徒呼奈何； 材料的世界千奇百怪，融入生活，大量的使用， 神奇的功能，让人大呼真棒；没有做不到，只有想不到，材料科学帮助你完成心中的奇思妙想，让一切皆有可能；层出不穷，功能各异的材料推动世界文明前进，让人类的生活更加美好。在鞋子的底部，存在压电材料，每当小孩子跑动时，脚部挤压鞋底，产生压力，这个压力使鞋子内的的压电材料产生电荷，这些电荷通过导线，输送给发光二

3、极管，所以我们就看到了鞋子发光的奇景了你是否看到过小孩子穿的一种鞋子呢，那种在走动中发出五颜六色的彩光的鞋子呢，是不是很漂亮呢?可是，你知道鞋子为什么会发光吗？你是否研究过打火机是怎么产生火焰的呢？那是因为它们里面都有一种东西，这个东西就是我所要介绍的一种材料压电材料。这种按压式的打火机内，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二、 压电材料的定义：压电材料（piezoelectric material），是一种当受到压力作用时会在两端面间出现电压，当存在外电场时会发生形变的的

4、晶体材料。三、 压电材料的发现：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。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和

5、交流电的互相转换。四、 压电效应的原理：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

6、复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。五、 压电材料的分类：1、 第一类是无机压电材料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

7、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

8、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%, d33900×10-3C/N, 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。2、 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

9、，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。六、 压电材料应用：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

10、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。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音，而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。甚至在欧洲的一些夜总会内也安装了含有压电材料的特制地板，这种地板能够吸收夜总会顾客跳

11、舞时舞步所产生的能量，并将这些能量转换成电能，为夜总会中的电灯提供能量。据报道，香港体育馆准备利用这种技术，将前来运动的人员脚步声转换成电能，维持馆内的电灯和音乐播放器所需的能量。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,

12、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

13、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。3、 传感器上的应用压电式压力传感器：利用压电材料所具有的压电效应所制成的。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意,避免

14、漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆,在受到突然振动或过大压力时,自我恢复较慢。压电式加速度传感器：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

15、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。4、 在机器人接近觉中的应用

16、（超声波传感器）机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前,获得必要的信息,为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍,则及时采取一定措施,避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。超声波是人耳听见的一种机械波,频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音,振动频率范围只是20HZ20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小,而能成为声波射线并定向传播,机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体,不能测量距离小于30mm的物体。超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定

17、时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间,是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。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

18、电震荡器、变压器、滤波器等。七、 压电材料的发展现状：1、 细晶粒压电陶瓷以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料,尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级,可以改进材料的加工性,可将基片做地更薄,可提高阵列频率,降低换能器阵列的损耗,提高器件的机械强度,减小多层器件每层的厚度,从而降低驱动电压,这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处,但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响,人们更改了传统的掺杂工艺,使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切

19、割研磨研究,并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚）,证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展,细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。2、 PbTiO3系压电材料 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大,从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年,改良PbTiO3材料报道较多,在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。

20、60; 3、 压电陶瓷-高聚物复合材料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。4、 压电性特异的多元单晶压电体传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强,从而得到了广泛应用。但作为大应边,高能换能材

21、料,传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来,人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料,做了大量工作,现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8）,其应变>1.7%,几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg,而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究,它的批量生产的成功必将带来

22、压电材料应用的飞速发展。八、 压电材料的最新研究方向：随着压电材料运用越来越广泛，科学家们想到将其用于低能耗电子产品中，但传统的压电材料都太“大”，于是研制纳米级别的压电材料成为科研人员的全新领域。 卡金教授和休斯顿大学的同行合作，通过研究发现，厚度为21纳米左右的压电材料转化声波的能力最强，能够将声波能量转化成电能的效率提高百分之百。而且由于纳米材料的敏感性，比21纳米大或小的其他级别纳米材料都不能达到这么高的能量转换效率。 压电材料界的专家表示，卡金的这一新发现将会对低能耗电子产品带来极大影响，这一新材料将会在手机、笔记本电脑、专用通信装置以及其他普遍消费的电子产品如mp3播放器上大展身手，许多消费者因为对电池充电后使用时间的不满，而希望有东西能够取代这些电池。 这种压电材料还可能用于战场。在现代化战争中，战士们通常会携带很多先进的电子设备，比如爆炸物探测装置，一旦其内的电池没有电了，战士们就无法工作，而如果在传感器中装着纳米压电材料，通过采集携带装置战士脚步的能量，并将其转换成电能，探测任务就会顺利完