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1、压电材料第 1 页 共 13 页2012-5-26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）压电材料第 2 页 共 13 页2012-5-26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、
2、 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压电材料第 3 页 共 13 页2012-5-26一、 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
3、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。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。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，输送给发光二极管，所以我们就看到了鞋子发光的奇景了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
4、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材料第 4 页 共 13 页2012-5-26二、 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
5、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，则压电材料第 5 页 共 13 页2012-5-26产生的就是高频电流。而高频电信号加在压
6、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
7、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。压电材料第 6 页 共 13 页
8、2012-5-26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
9、)O3 单晶体（Kp 90%, d3390010-3C/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，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
10、、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。压电材料第 7 页 共 13 页2012-5-26六、 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
11、。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
12、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 ,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压电材料第 8 页 共 13 页2012-5-26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
