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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结构压电材料的研究现状及其应用摘要：简要介绍了压电材料的发展历史，详细叙述了压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料及压电聚合物的发展状况，并对压电材料对日常生活的影响及其目前的研究热点做了概括。同时也对压电陶瓷的电性能老化问题对压电陶瓷的理论研究和应用都具有很重要的意义。阐述了压电陶瓷的老化机理,研究了影响老化的因素如温度、压力、电场和生产工艺,提出了防止电性能老化、改善制品质量的措施。一、概述压电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术新材料,在信息激光、导航和生物等高技术领域
2、应用广泛。压电陶瓷在现代功能陶瓷中占有非常重要的地位,1具有广泛的用途。自19世纪80年代居里兄弟首先在石英晶体上发现压电效应后,压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,XX年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上,近几年压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应用愈来愈广,而且随着电子、信息、航空航天高科学技术领域日新月异的发展,压电陶瓷材料的制作技术和应用开发方兴未艾,将越来越受到人们的关注和重视。压电材料按物理结构分类如图1。1955年发现锆钛酸铅(Pb(Zr1-xTix)O3,简称PZT)
3、,这类陶瓷都具有较好的压电性能2但是广泛应用的却只有少数几种,如石英,Rochelle盐(KNT),CdS,ZnO,AlN,酒石酸乙二胺(EDT),磷酸二氢钾KDP,磷酸二氢铵(ADP),硫酸锂(Li2SO4H2O);钙钛矿型结构压电晶体:LiNbO3,LiTaO3,KNbO3,KTaO3;钨青铜结构:铌酸钡钠、铌酸锶钡、铌酸钾锂等；层状结构的钛酸铋(Bi4Ti3O12)、锗酸铋等;T13BX4(B=V、Ni、Ta;X=S,Se)和磷酸铝(AlPO4)等晶体。二、压电材料的原理压电效应某些介质在机械力作用下发生电极化和电极化的变化,这样的性质称为压电效应3电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两
4、端面出现等量反号的束缚电荷变化,看起来这是由于压力造成了电荷的变化,这就是压电性的由来。介质具有压电性的条件是其结构不具有对称中心,在32类点群中有20类不具有对称中心,属于这20类点群的电介质才可能成为压电材料。不具有对称中心的晶胞在应力作用下出现电极化和表面束缚电荷的示意图如图2。19世纪末20世纪初相继发现水晶和酒石酸钠等材料具有压电性能,并且这些材料相继得到了应用。在20种压电晶类中,石英、闪锌矿和纤锌矿虽然都没有对称中心,但却包含其他对称元素。这种晶体在某些应力下呈现极化,但在另一些应力下却不极化。以石英为例,沿(100)的应力会产生极化,而沿(001)的应力就不会引起极化。因此,具
5、有压电性能。压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应：当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；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就
6、没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。三、压电材料的应用及展望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。换能器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
7、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
8、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
9、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：利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。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：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
10、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
11、,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。超声波传感器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,
12、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后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时
13、电路所记录的时间,是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。四、研究现状下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。1、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畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高
14、器件的机械强度，减小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、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器，证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。2、PbTiO3系压电材料PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO
15、3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。3、压电陶瓷-高聚物复合材料无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。4、压电性特异的多元单晶压电体传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达，其应变%，几乎比压电陶
