压电材料的应用与发展原版

你了解压电材料吗?

你想知道它的应用及发展吗？欢迎进入压电材料的世界材料物理性能Areyouready?

作者：小黄人材料物理性能压电效应机理回顾：

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。材料物理性能压电材料的应用与发展第3页材料物理性能压电材料的应用与发展第4页压电材料原理：

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），即超声波信号。压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能.

由于这些特性，压电材料广泛用于传感器元件

材料物理性能压电材料的应用与发展第5页压电材料的分类：压电材料无机压电材料有机压电材料复合压电材料材料物理性能压电材料的应用与发展第6页无机压电材料：压电陶瓷BaTi03是最早发现的压电陶瓷，其最大的缺点是谐频温度特性差。但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba，可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3压电陶瓷。类似的单元系压电陶瓷，还有PbTiO3和PbZr03等。压电晶体锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。PZT的机电藕合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度(~300℃)。在锆钛酸铅为基础的三元，四元压电陶瓷都在发展。多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。材料物理性能压电材料的应用与发展第7页压电晶体压电晶体一般指压电单晶体，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。

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。

而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。材料物理性能压电材料的应用与发展第8页

又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）及以它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。有机压电材料：特点：压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，因此PVDF在许多技术领域都有适用性，特别是用它制作用于液体、生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作的换能器更好的阻抗匹配。此外PVDF有机压电薄膜还具有相当优良的热电性。换能器：实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。材料物理性能压电材料的应用与发展第9页压电复合材料：压电复合材料有多种复合方式。就结构来说，有混合状、层状、梯形和蜂窝形;就材料来说，有PZT/聚合物、PZT/PZT(两种PZT的组分不同)、PZT(致密)/PZT(多孔)/PZT(致密)以及其它压电材料与聚合物的复合材料等。利用复合技术不仅能提高材料的压电性能、热电性能，还能提高材料的耐压性以及抗去极化性。当前，压电复合材料有两个发展趋势:其一是开发连接类型压电复合材料。其二是改进成型工艺。材料物理性能压电材料的应用与发展第10页压电材料的主要应用：传感器驱动器换能器机器人材料物理性能压电材料的应用与发展第13页应用实例一：水声换能器材料物理性能压电材料的应用与发展第14页应用前景：1）水下通信：由于钹式声纳换能器具有体积小、重量轻、易于布放、灵敏度高等特点，因此可以将钹式声纳阵元组成线列阵用于水下通信，或作为水下通信系统单元建立水下通信网路，实现水下大面积、长距离的通信，而且可以根据作战需要，即时改变水下布防位置，使水下通信快捷、灵活。2）用于鱼雷制导：钹式声纳具有较高的接收灵敏度，可以将钹式声纳应用于被动式鱼雷，实现鱼雷的跟踪制导。3）用于潜艇接收声纳：可以将钹式声纳阵元组成共性阵，布置在潜艇头部或侧面，起到侦查、定位等功能。4）其他：可以作为拖曳声纳、水雷规避声纳、吊放声纳等。材料物理性能压电材料的应用与发展第15页应用实例二：压电传感器

在血浆粘度检测中的应用当石英晶体在液相振荡时，由于表面张力的作用，晶体表面所附着的溶液薄层也随石英晶体一起振荡，其结果也等效于石英晶体表面质量负载的增加，由此导致传感器振荡频率的偏移。溶液的粘度越高，随晶体振荡的液层就越厚，等效的质量负载也越大。溶液的密度越高，液层的质量也越大。材料物理性能压电材料的应用与发展第11页应用实例三：雷达CRT显示器中的

压电陶瓷变压器高压电源是雷达CRT显示器中的关键部件.通常雷达CRT显示器阳极高压是通过电磁变压器升压后获得的,这种传统的变压器在体积和重量等方面都难以适应雷达小型化、轻型化的发展需要,而且变压器绕组易发霉、打火、击穿.这些问题直接影响到CRT显示器的稳定性、可靠性,关系到其能否正常工作及目标定位的精度。材料物理性能压电材料的应用与发展第12页工作原理图：材料物理性能压电材料的应用与发展第16页压电材料的发展前景：1.压电复合材料2.压电薄膜

3.无铅压电陶瓷（新型压电材料）4.纳米压电陶瓷5.多元单晶压电体材料物理性能压电材料的应用与发展第17页新型压电材料：

新型压电材料是日本科学技术振兴机构与物质材料研究机构的联合研究小组共同开发出一种基于新原理的压电材料。这种压电材料通过增加电场，使物质的晶体结构发生伸缩。

这种利用全新原理开发出的压电材料的电致伸缩效应为历来同样材料的40倍。此次开发的材料不含铅成分，可实现高性能，对环境无害的传感器及换能器制造。

该材料应用于超声成像（特别是医用超声成像）、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提高。

这是50多年来无铅压电材料的性能首次超越压电材料的经典体系—锆钛酸铅，对无铅压电材料的研究开发具有重要意义。材料物理性能压电材料的应用与发展第18页参考文献：1.压电材料的研究和应用现状裴先茹2010.06《安徽化工》中国知网2.压电材料的发展与展望黄国平2010.01《科技广场》中国知网3.压电传感器在血浆粘度检测中的应用,2003年12月,重庆大学学报,熊兴良，蔡