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1、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 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。 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？ 压电效应反映
2、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。 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
3、，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。 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（ 1914l915 ）到第二次世界大战（ 19
4、40 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
5、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。 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）。 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
6、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。 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
7、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。 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75mW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
8、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%。 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。 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
9、神经，以提 高听力。 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。 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
10、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。 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。
11、图2.1 正常心电图波形组成及测量示意图 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。 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
12、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。 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。 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
13、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。 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。 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。 当然这个想法还有很多待改进的缺陷。 首先，压电材料的主要构成元素包含了大量的重 金属，如钛、铅等如果长期在人体内存在会威胁 患者健康。 其次，人体内的体液环境复杂，金属物质在体内 会造成一定的腐蚀，当压电材料和芯片发射装置 被腐蚀后很可能影响监控仪的正常工作。 第三，由于医学对心结构仍不是非常明了，所以 对于植入部位会不会因为压缩、摩擦产生其他影 响仍需要考究。
