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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划压电材料分类压电材料及其应用学院：材料学院专业：材料科学与工程系班级：姓名：李耘飞学号：压电材料及其应用李耘飞材料科学与工程一、压电材料的定义压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。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
2、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。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压,则产生机械应力。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，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
3、的飞行器设计中占有重要的地位。二、压电材料的主要特性包括：机电转换性能：应具有较大的压电系数；机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率；电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。压电材料的主要特性参数有：(1)压电常数、(2)弹性常数、(3)介电常数、(4)机电耦合系数、(5)电阻、(6)居里点。三、压电材料的分类压电材料可分为三类：压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中
4、的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。压电晶体1）石英晶体石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅，其压电常数d11=10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20200范围内，其压电系数几乎不变；达到573时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作用时
5、，电荷互相平衡，外部没有带电现象。如果在X轴方向或Y轴方向受压，由于离子之间造成错位，电荷的平衡关系受到破坏，产生极化现象，使表面产生电荷。当在Z轴方向受力时，由于离子对称平移，表面不呈现电荷，没有压电效应。这就是石英晶体产生压电效应的机理。2）其他压电晶体锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等压电材料，也得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表。铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点，即机械性能各向异性。它的时间稳定性好，居里点高达1200，在高温、强
6、幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率等均保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。压电陶瓷压电陶瓷是人工合成的多晶体压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的，在无外电场作用时，各电畴的极化作用相互抵消，因此不具有压电效应；只有经过极化处理后才具有压电效应。即在一定的温度和强电场作用下，内部电畴自发极化方向都趋向于电场的方向，极化处理后压电陶瓷具有一定极化强度。在外电场去除后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外电场
7、方向取向，其内部仍存在有很强的剩余极化强度，使得压电陶瓷极化的两端就出现束缚电荷，由于束缚电荷的作用，在压电陶瓷的电极表面就会吸附自由电荷。这些自由电荷与压电陶瓷内的束缚电荷符号相反而数值相等当压电陶瓷受到与极化方向平行的外力作用而产生压缩变形，电畴发生偏转，内部正负束缚电荷之间的距离变小，剩余极化强度也将变小，因此，原来吸附的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当外力撤消后，压电陶瓷恢复原状，内部的正负束缚电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。充、放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，这种由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。同样，压
8、电陶瓷也存在逆压电效应。通常将压电陶瓷的极化方向定义为Z轴，在垂直于Z轴的平面上的任意选择一正交轴系作为X轴和Y轴。对于X轴和Y轴，其压电效应是相同的，这是与石英晶体的不同之处。常见的压电陶瓷有锆钛酸铅系压电陶瓷、钛酸钡陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷，如铌酸铅、铌镁酸铅压电陶瓷等，压电陶瓷的特点是压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性，因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。另外，压电陶瓷的成形工艺性也好，
9、成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷按照受力和变形的形式不同可以制成各种形状的压电元件，常见的有片状和管状，管状压电元件的极化方向可以是轴向的，也可以是圆环的径向。新型压电材料新型压电材料可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。1）压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等材料具有显著的特点，即既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。2）有机高分子压电材料一些合成的高分子聚合物，如聚氟乙烯、聚氯乙烯等经延展拉伸和电极化后可以制成压电
10、材料，这种材料质地柔软、不易破碎，在很宽的频率范围内有平坦的响应，性能稳定，能和空气的声阻抗自然匹配。另外，高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末也可制成高分子压电薄膜。四、压电材料的应用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。目
11、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，且
12、不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。2、压电驱动器压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研
13、制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。3、传感器上的应用压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。压电式加速度传感器
14、压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作
15、用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷，当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。4、在机器人接近觉中的应用机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZXX0HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波
