压电复合材料

1、压电复合材料摘 要：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状况，列消失阶段 压电材料的制备技术。综述了近年来压电材料的讨论现状，并系统介 绍了压电材料在各个领域的应用和进展。关键词：压电材料；压电效应；制备工艺；应用Abstract: This paper begins with the piezoelectric effect and introduces the classification and structure of piezoelectric materials. Considering the application of

2、different piezoelectric materials in the production practice, preparative techniques of piezoelectric material in the current stage are listed. Research actuality of piezoelectric materials is summaried. Application and development of the piezoelectric materials in various Fields are also introduced

3、 systematically.Keywords: piezoelectric material; piezoelectric effect; preparative technique; application.引言自20世纪消失压电材料以来，因其独特性能，渐渐成为材料领域 中的重要组成局部。随着电子、导航和生物等高技术领域的进展，人 们对压电材料性能的要求越来越高。目前，讨论和开发压电材料主要 是从老材料中开掘新效应，开拓新应用；从掌握材料组织和结构入手,运用新工艺制备各种新型压电材料。本文从压电材料的压电效应入手, 评述其制备应用及今后的进展。.压电效应压电效应的定义：某些电介质当沿着肯

4、定方向对其施力使它变形 其内部就会产生极化现象，同时在它的两个外表上产生符号相反的电 荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态。我们把这种现象 称为压电效应。压电效应分类压电效应分为正压电效应和负压电效 应。正压电效应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，同时在某两个外表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转变时电荷的极性也随之 转变晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。通过此过程把机 械能转化成电能的现象称为正压电效应负压电效应。当在电介质极化 方向施加电场引起晶体机械变形的现象称为负压电效应。它是压电效 应的逆效应。其产生的缘

5、由是压电晶体中的晶格在电场力的作用下产 生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下其内应力 和形变都会发生周期性变化从而产生气械振动。也称为电致伸缩效 应。.压电材料制备方法针对不同的压电材料，要依据其应用场合、特性和成原来选择合 适的制备方法，其制备方法按制备时消失的物相分为固相法、液相法 和气相法。3. 1固相法采纳传统固相法制备PZT时，烧结温度高于1200 C会引起PbO 的挥发，难以掌握化学计量比,导致材料的微观结构和电学性能难以 掌握，适用于原料廉价、工艺简洁及对压电材料性能要求不高的场 合。2液相法液相法制备压电材料是目前最常用的方法，包括共沉淀法、水 热合成法2卜溶胶

6、-凝胶法、醇盐水解法等。3气相法气相法适合制备纳米级压电薄膜，主要有物理气相沉积和化学气 相沉积。其中，溅射法是最常用的方法。李海燕等采纳对靶溅射 法在Si02 / Si基板上沉积Pt/ Ti底电极，用射频（RF）溅射法制 备出厚度约800nm的PZT薄膜。化学气相沉积可以精确地掌握反响产 物的化学组成，掺杂便利，但难以获得合适的气源材料，不适合低 本钱、大量制备薄膜，实际中采纳较少。4压电材料的讨论及进展目前，压电材料的讨论热点趋势主要有：（1）低温烧结PZT陶瓷; （2）高居里温度压电材料；（3）压电复合材料；（4）无铅压电陶 瓷。（5）细晶粒压电陶瓷；（6）大功率高转换效率的PZT压电陶

7、瓷 4.1低温烧结PZT陶瓷;低温烧结是为了解决铅基压电陶瓷高温烧结中引起的PbO挥发问 题。通过在PZT陶瓷中添加Li2c。3、Bi203 MnO2等低熔点烧结助剂 能降低烧结温度约200300。C;制备纳米化超细粉体可以掌握烧结 温度在PbO挥发温度以下；通过热压烧结也可以使PZT的烧结温度 降低150 200 C,有利于削减氧化铅的挥发。2高居里温度压电材料随着现代科学技术的进展，原子能能源航空航天冶金石油化工等很多 工业和科研部门迫切需要能够在更高的温度下工作的电子设施众所 周知，PZT基压电陶瓷的Tc 一般为300飞00。C,不能满意某些应用 领域的需要，研制一些具有优良压电性（高居

8、里温度Tc）的压电陶 瓷成为讨论的热点目前关于高温压电陶瓷的讨论主要集中在 BiScO：-PbTiO3 （BSPT）、碱金属锯酸盐和具有非钙钛矿结构的偏胃酸 铅三种体系，高居里单晶材料主要为锂盐类压电和铁电单晶如锯酸 锂、留酸锂、错酸锂、等材料3压电复合材料现阶段讨论较多的压电复合材料是由压电陶瓷（如PZT, PbTiO3） 和聚合物（如PVDF,环氧树脂）复合成的。岳鹏等用化学溶解、旋 涂成膜、多层膜热压制得PZT体积分数60乐介电常数100左右的 PZT/ PVDF复合材料。徐任信等61运用热压工艺制备了 0-3型PZT/ PVDF压电复合材料，加入适量石墨后可以明显提高复合材料的极化 性

9、能。4无铅压电陶瓷目前，无铅压电材料中钛酸钢基、钛酸钿钠基讨论已经很成熟, 促使陶瓷的微观结构呈现单晶体特征这一新技术也有了肯定的进展。 把压电铁电理论和无铅压电陶瓷体系组合，将PZT陶瓷的理论运用到无铅压电陶瓷中，开发新理论、新方法也有进展,4.5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晶粒组成的多晶材料 在高频器件以及超低压致动器和微机电系统应用方面，这样的尺寸不 能满意需要减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基 片做得更薄，以提高阵列频率降低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的性能都特别有益随着纳米 技术的进展，细晶粒压电陶瓷材料的讨论

10、和应用正成为近期的热点 4. 6大功率高转换效率的PZT压电陶瓷制备大功率高转换效率的压电陶瓷主要有3种方法：通过掺杂锦 元素、YMnO3及其它元素掺杂改性；将第四组元加入到多元系压电陶 瓷中开发新的材料体系；通过添加低温共烧助剂，用湿化学法制备 超细粉体，采用热压成形烧结，探究新的制备工艺。除以上几种外还有压电陶瓷（高聚物复合材料）、压电薄膜、 纳米压电陶瓷:也始终是讨论人员重点讨论方向，具有特别宽阔的前 景。5压电材料的应用及进展随着压电材料制备技术的进展，压电材料在生物工程、军事、光 电信息、能源等领域有着更加广泛而重要的应用。1 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

11、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、体液流淌产生的PVDFPVDF机械能转变为电能，供应纳米器件来检测细胞的健康状况7； 薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中。2 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；采用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动掌 握;压电复合材料用在压力传感器检测机身外状况和卫星遥感探测装 置中。3 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外表滤波器、光快门、光波导调制器、光 显示和光存储等；

12、采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。4 可再生能源采用压电效应收集海浪、风力、人力、汽车产生的振动能量实现 机械能的再生采用。微机电系统可为各类小型装置供应平均输出功率 为250950 W的电源，Platt等引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 发电采用海浪对压电材料的拉伸和放松，通过电子元件变成为低高 压电流3；时速为16公里的微风挤压或伸展微型风车中的压电材料 可产生7. 5mW的电能，能

13、将18%的风能转化为电能W；发电鞋通 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，采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Innowattech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胜利产生电流并点亮灯泡。结语压电材料已在信息、生物、军事及新能源等领域得到广泛应用，随着 现代科学技术的进展，压电材料工艺的不断改进，信任压电材料会 普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。参考文献：Simon-Seveyrat L, H

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