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文档简介

1、第第5 5章章 功能转换材料功能转换材料1声声光光电电热热磁磁力力热电、热释电热电、热释电光电、电光光电、电光声光声光磁光磁光压电压电常见的功能转换材料常见的功能转换材料25.1 5.1 压电材料压电材料3o 压电效应:材料在沿一定方向上受到外力的作用变形时压电效应:材料在沿一定方向上受到外力的作用变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上,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。出现正负相反的电荷。o 18801880年,法国物理学家年,法国物理学家P. P. 居里和居里和J.J.居里兄弟发现,把居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷

2、,电荷重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成正比。量与压力成正比。5.1 5.1 压电材料压电材料4正压电效应正压电效应正压电效应:正压电效应:力的垂直方向产生正负电荷力的垂直方向产生正负电荷5逆压电效应逆压电效应逆压电效应:逆压电效应:正负电荷中心位移导致晶体形变正负电荷中心位移导致晶体形变6压电效应的微观机理压电效应的微观机理关键词:关键词:电心位置发生偏移电心位置发生偏移7o 压电材料的晶体特征压电材料的晶体特征o 在在3232种点群的晶体中,种点群的晶体中,有有2121种点群的晶体不是种点群的晶体不是中心对称的中心对称的压电材料的晶体结构压电材料的晶体结构复习晶体学

3、基础知识复习晶体学基础知识8七大晶系与对称型七大晶系与对称型9压电材料的评价参数压电材料的评价参数 101.1. 压电单晶:压电单晶:机电性能稳定,没有内耗。机电性能稳定,没有内耗。举列:石英晶体举列:石英晶体铌酸锂铌酸锂(LiNbO(LiNbO3 3) ):机电耦合系数大:机电耦合系数大其他压电单晶材料:酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸其他压电单晶材料:酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。压电材料压电材料石英晶体石英晶体LNOLNO晶体晶体四川大学四川大学 晶体组晶体组112.2. 压电陶瓷:压电陶瓷:o 优点:价格便宜

4、优点:价格便宜o 缺点:易于老化。缺点:易于老化。o 代表性压电陶瓷:钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(这是代表性压电陶瓷:钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(这是PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的二元固溶体)。组成的二元固溶体)。钛酸锶钡钛酸锶钡锆钛酸铅锆钛酸铅肖定全教授肖定全教授12o 压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。电压大小与受力大小成正比电压大小与受力大小成正比13o 水声换能器:利用正压电效应接收声波,来完成水下观水声换能器:利用正压电效应接收声波,来完成水下观察、通讯和探测等。察、通讯和探测等。14o 在超声技术的应用:利用压电

5、材料的逆压电效应,在高在超声技术的应用:利用压电材料的逆压电效应,在高驱动电场下产生高强超声波,并以此为动力在超声乳化驱动电场下产生高强超声波,并以此为动力在超声乳化,超声焊接,超声粉碎等装置上的机电换能装置等。,超声焊接,超声粉碎等装置上的机电换能装置等。15o 压电点火器:压电开关,引燃、引爆装置,打火机,燃压电点火器:压电开关,引燃、引爆装置,打火机,燃气灶等。气灶等。无线压电开关无线压电开关点火装置点火装置16o 电子器件:拾音器、传声器、扬声器等。电子器件:拾音器、传声器、扬声器等。17小结:小结:压电效应的原理压电效应的原理压电材料的晶体结构特点压电材料的晶体结构特点压电材料的用途

6、压电材料的用途5.2 5.2 热释电材料热释电材料19o 压电晶体中,有压电晶体中,有1010种点群的种点群的晶体晶体,即存在自发性,可能具有热即存在自发性,可能具有热释电性。释电性。在这些热释电晶体中,有些晶在这些热释电晶体中,有些晶体的体的,即铁电体,即铁电体补充知识:压电、热释电与铁电材料补充知识:压电、热释电与铁电材料20具有自发极化,且自发极化具有自发极化,且自发极化不能被外加电场所转向不能被外加电场所转向的晶的晶体。如电器石,体。如电器石,CaSCaS、CaSeCaSe、LiLi2 2SOSO4 4HH2 2O O、ZnOZnO等。通常等。通常称之为称之为热释电晶体。热释电晶体。自

7、发极化自发极化可以被外加电场所转向可以被外加电场所转向的晶体。即的晶体。即铁电晶体铁电晶体。如如LiNbOLiNbO3 3、LiTaOLiTaO3 3、PbTiOPbTiO3 3、BaTiOBaTiO3 3等等铁电晶体铁电晶体E普通电介质普通电介质215.2 5.2 热释电材料热释电材料o 热释电效应:温度的变化引起极化状态改变,使得晶体热释电效应:温度的变化引起极化状态改变,使得晶体表面产生电荷。表面产生电荷。o 热释电效应最早在电气石晶体热释电效应最早在电气石晶体o (Na,Ca)(Mg,Fe)(Na,Ca)(Mg,Fe)3 3B B3 3AlAl6 6SiSi6 6(O,H,F)(O,H

8、,F)3 3中发现,该晶体属三方中发现,该晶体属三方晶系,具有唯一的三重旋转轴。晶系,具有唯一的三重旋转轴。22热释电效应热释电效应23热膨胀系数热膨胀系数各向异性各向异性u 单晶材料单晶材料o 如如TGS(硫酸三甘肽硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的氘化的TGS)、CdS、LiTiO3、SBN(铌酸锶钡铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅锗酸铅)、KTN(钽铌酸钾钽铌酸钾)等等);u 高分子有机聚合物及复合材料高分子有机聚合物及复合材料o (如如PVF(聚氟乙烯聚氟乙烯)、PVDF/PT(聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合与锆钛酸铅

9、复合) ;u 金属氧化物陶瓷及薄膜材料金属氧化物陶瓷及薄膜材料o (如如ZnO、BaTiO3、PMN(镁铌酸铅镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅钽钪酸铅)、PLT(钛酸铅镧钛酸铅镧)、PZT(锆钛酸锆钛酸铅铅)、PLZT(锆钛酸铅镧锆钛酸铅镧)等等)。24 在物理学基础研究中的应用在物理学基础研究中的应用, ,如确定晶体的非中心对称结如确定晶体的非中心对称结构和相变温度构和相变温度, ,确定晶体中原子确定晶体中原子( (或离子或离子) )的相对位移等。的相对位移等。 另一类是在探测器方面的应用。另一类是在探测器方面的应用。热释电效应的典型应用热释电效应的典型应用利用红外热效应热释电探测器敏感度很高2

10、5(1)(1)夜视装置。夜视装置。利用热释电探器制作的夜视装置利用热释电探器制作的夜视装置, ,具有灵敏度高的优点具有灵敏度高的优点, ,能够能够将热源从背景中区分出来将热源从背景中区分出来, ,这是热释电材料最早的应用之这是热释电材料最早的应用之一。一。26(2)(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。影片:深入敌后影片:深入敌后27(3)(3)导弹、坦克等的探测器。导弹、坦克等的探测器。28(4)(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。银行、保险公司等重要部门的报警器。29小结:小结:热释电效应的原理热释电效应的原理热释电材料的

11、晶体结构特点热释电材料的晶体结构特点热释电材料的用途热释电材料的用途5.3 5.3 光电材料光电材料315.3 5.3 光电材料光电材料o 光电效应光电效应o 物质在受到光照后,往往会引发其某些电性质的变化,物质在受到光照后,往往会引发其某些电性质的变化,这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应。效应和光电子发射效应。o 光电导效应光电导效应:物质在受到光照射时,其导电率产生变化物质在受到光照射时,其导电率产生变化的现象。的现象。32o 光生伏特效应光生伏特效应:如果光照射在半导体的:如果光照射在半导体的p-np-n结

12、上,则在结上,则在p pn n结两端会出现电势差,结两端会出现电势差,p p区为正极,区为正极,n n区为负极,这种区为负极,这种效应称为光生伏特效应。效应称为光生伏特效应。o 光电发射效应光电发射效应:当金属或半导体受到光照射时,其表面:当金属或半导体受到光照射时,其表面和体内的电子因吸收光子的能量而被激发,如果被激发和体内的电子因吸收光子的能量而被激发,如果被激发的电子具有足够的能量,足以克服表面势垒而从表面离的电子具有足够的能量,足以克服表面势垒而从表面离开,产生了光电子发射效应。开,产生了光电子发射效应。光电效应光电效应爱因斯坦与爱因斯坦与光电效应光电效应33o 光生伏特材料:硅太阳能

13、电池、半导体太阳能电池、薄光生伏特材料:硅太阳能电池、半导体太阳能电池、薄膜太阳能电池膜太阳能电池。内建电场内建电场界面附近产生电界面附近产生电子与空穴子与空穴光伏材料光伏材料硅硅铜铟镓硒铜铟镓硒碲化镉碲化镉有机光伏材料有机光伏材料34- -+ +第一代第二代第三代35硅硅碲化镉碲化镉铜铟镓硒铜铟镓硒有机光伏材料有机光伏材料最高转换效率:最高转换效率:9.0%9.0%平均转换效率:平均转换效率:8.2%8.2%良率:良率: 100%100%超声喷涂技术超声喷涂技术太阳能电池结构太阳能电池结构大面积太阳能电池大面积太阳能电池本人科研团队在聚合物光伏器件的研究进展。36o 低功函数材料(电子容易被

14、电离发射)。低功函数材料(电子容易被电离发射)。o 应用:光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。应用:光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。光电子发射材料光电子发射材料光电转换器光电转换器高灵敏摄像机高灵敏摄像机37n 光电半导体:光电半导体:GeGe、SiSi、ZnOZnO、CdSCdS、PbSPbS。n 光电导陶瓷:光电导陶瓷:CdSCdS陶瓷、陶瓷、CdSeCdSe陶瓷等。陶瓷等。n 有机高分子光电导体。有机高分子光电导体。应用:应用:1.1.光探测的光敏感器件光探测的光敏感器件 光电导摄像管光电导摄像管 固体图像传感器固体图像传感器光电导材料光电导材料38小结:小结:什么是

15、光电导效应什么是光电导效应什么是光伏特效应什么是光伏特效应什么是光电发射什么是光电发射5.3 5.3 热电材料热电材料405.4 5.4 热电材料热电材料o 热电效应:在用热电效应:在用中,若使其结合部分出现温度差中,若使其结合部分出现温度差,则在此闭合电路中将有电流通过,则在此闭合电路中将有电流通过,或产生热电势,这种现象叫或产生热电势,这种现象叫热电效应热电效应。o 热电材料是一种能将热能和电能相互热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料转换的功能材料1T2TABV41热电效应理论热电效应理论Seebeck效应、效应、Peltier效应和效应和Thomson效应。效应。 1821年年

16、,T.J.Seebeck发现发现,由两种不同导体由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两构成的闭合回路的两端接点的温度不同时端接点的温度不同时,回路中就产生电流回路中就产生电流,这种现象称为这种现象称为Seebeck效应。效应。温差电动势温差电动势,亦称为亦称为Seebeck电动势:电动势:dV=(T)dT(T)为为Seebeck系数系数,在冷端接点处在冷端接点处,若电流由若电流由2流向流向1,则则(T)为为正正, 反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。421T2TABI1T2TABVSeebeckSeebeck效应:两种不同效应:两种不同材料材料A

17、 A、B B构成开路,接构成开路,接点保持不同温度,则回点保持不同温度,则回路产生电动势路产生电动势 Peltier Peltier效应:两种不同导体效应:两种不同导体A A、B B构成回路,接电源。则一构成回路,接电源。则一个接点吸热,另一个放热。个接点吸热,另一个放热。(电流反向时,吸放热相反)。(电流反向时,吸放热相反)。431T2TI12TTabThomsonThomson效应:流过电流,棒吸效应:流过电流,棒吸热,电流反向时放热。热,电流反向时放热。44ABCC0TT恒温装置恒温装置电位电位差计差计1 1、用于测温热电偶:、用于测温热电偶:通通过测电动势来测温。把热学过测电动势来测温

18、。把热学量变为电学量测量。量变为电学量测量。45热电材料的应用热电材料的应用常用的热电偶材料常用的热电偶材料 T型:型: 铜康铜(铜康铜(60Cu,40Ni)适用于)适用于200400。 K型:型:镍铬镍铝(镍铬镍铝(90Ni10Cr95Ni5Al)适)适用于用于01000。 S型:型:铂铂铑(铂铂铑(Pt13Rh87Pt)温度范围)温度范围01500。热电偶材料:有近热电偶材料:有近300种,广泛应用的有种,广泛应用的有8种。种。制冷和低温温差电源材料:制冷和低温温差电源材料: 碲化铋,硒化铋,碲化锑。碲化铋,硒化铋,碲化锑。46o 2 2、用做温差电源、用做温差电源o 最多的应用是温差发电

19、,但效率低,成本高。然而在一最多的应用是温差发电,但效率低,成本高。然而在一些场合其它能源无法使用时,便成为独一无二的发电方些场合其它能源无法使用时,便成为独一无二的发电方式,如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须式,如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须采用它。采用它。o 3 3、用于制冷、用于制冷o 利用半导体帕尔贴效应,实现热、电能转换,制成半导利用半导体帕尔贴效应,实现热、电能转换,制成半导体制冷机(电流流过时,低温端吸热,高温端放热)体制冷机(电流流过时,低温端吸热,高温端放热)o 优点:寿命长,可靠,小型化,无空气污染优点:寿命长,可靠,小型化,无空气污染4748Ba8

20、Ga14Sn50样品Seeback系数武汉光电国家实验室-程峰博士性能优异的笼合物材料性能优异的笼合物材料49dV=(T)dT热电材料与热释电材料的差别热电材料与热释电材料的差别1.原理原理2.材料类型材料类型3.用途用途50其他功能转换材料其他功能转换材料511、电光效应与电光材料、电光效应与电光材料电光效应电光效应物质物质光学特性光学特性受受电场影响而发生改变电场影响而发生改变的现象。的现象。电光材料绝大部分为晶体材料。电光材料绝大部分为晶体材料。KH2PO4, NH4H2PO4, BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS, GaAs用途:制造光体制原件,用于光偏转,可变谐振滤波,电用途:制造光体制原件,用于光偏转,可变谐振滤波,电场测定等。场测定等。52532磁光效应与磁光材料磁光效应与磁光材料 磁光效应磁光效应物质物质受磁场影响而光学特性发生变化受磁场影响而光学特性发生

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