压电材料的应用

压电材料的应用 专业：材料科学与工程学号：1101900102班级：1019001姓名：金祖儿精品.摘要：本文阐述了各种新型压电材料的性能和各种特性的应用；从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成；针对不同压电材料在生产实践中的应用情形,综述了近年来压电材料的讨论现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和进展； 关键词:压电材料 压电效应 压电陶瓷材料 压电复合材料 高居里温度 压电陶瓷 制备技术; 讨论现状; 应用 压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用；香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的治理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特点的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等；压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用；雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器；压电材料仍可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的掌握以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等； 压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上；压电效应表现为当某些电介质在肯定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上显现正负相反的电荷，当作用力的方向转变时，电荷的极性也随之转变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；当外力去掉后，它又会复原到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生气械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消逝，这种现象称为逆压电效应；正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能；精品. 1880 年居里兄弟发觉了压电效应，从而开创了压电学的历史；但是压电材料真正获得广泛的应用仍是在1955 年发觉压电陶瓷之后；压电器件最早采纳的材料是石英晶体，接着是BaTiO3、Pb（Zr，Ti）O3 等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体；性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料；目前压电材料主要讨论热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料以及高居里温度压电材料，细晶粒压电陶瓷，无铅压电陶瓷材料等； 〔一〕压电陶瓷20 世纪40 岁月发觉了BaTiO3 压电陶瓷, 并于1947 年制成器件, 这对压电材料的进展具有重要的意义[ 6] ；50 岁月初显现了钛锆酸铅系〔 PZT〕 , 其性能远远优于BaTiO3, 后来又显现了PLZT 透亮铁电陶瓷；压电陶瓷大多是ABO3 型化合物〔 结构如下图〕 或几种ABO3 型化合物的固溶体, 应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆酸铅系〔 PZT〕 陶瓷；钛酸钡陶瓷〔 BaTiO3〕 的晶体属于钙钛矿型〔 CaTiO3〕 结构, 其中氧形成氧八面体, 钛原子位于氧八面体的中心, 钡就处于8 个八面体的间隙；在室温下BaTiO3 是属于四方晶系; 当温度上升到120 e 以上, 四方相转变为立方相, 属于顺电相; 在0 e 邻近四方相转变为正交晶系；BaTiO3 具有较好的压电性, 它是在锆钛酸铅陶瓷显现前最为广泛使用的压电材料；但因其居里点不高〔 120 e 〕 而只能在有限的温度范畴内工作；另外在常温下其介电性和压电性也不稳固精品., 在其次相变点〔 0 e 〕 , 当相变时其介电性和压电性有显著的转变等缺点；为了改善这一状况,往往在BaTiO3 中加入其次相；最常加入的是CaTiO3 和PbTiO3；加入CaTiO3 不能转变高居里点, 但是可以大大降低其次相变温度, 加入量一般在8% mol 以内, 过多会使压电性能降低；加入PbTiO3 能提高居里点, 同时降低其次相变点, 加入量一般在8% mol 以内, 过多同样使压电性能变差；因此就显现了以BaTiO3 为基础的BaTiO3- CaTiO3系和BaTiO3 - PbTiO3 系陶瓷等；〔二〕压电聚合物聚偏氟乙烯〔 PVDF〕PVDF: 〔 CH2CF2 〕 n 形成链状化合物,n〔 > 10000〕 为聚合度；从结构分析得知这种材料中晶相和非晶相的体积各约占50%；PVDF 有A、B、C和D4 种常见的晶型；铁电相只存在于B相中；〔三〕奇数尼龙尼龙11、尼龙9、尼龙7和尼龙5都是由X一氨基酸与偶数基团〔 - CH2〕 2n 形成的聚酰胺；其铁电性源于酰胺基团的电偶极矩, 自熔体淬火并经拉伸后就发生与膜面垂直的自发极化；其压电常量比PVDF 低, 但在室温到150 e 的范畴内, 压电常量〔 如d31, g31〕 将随温度上升而大幅度增大；P〔 VDF 一TrFE〕 共聚物P〔VDF 〕 TrFE 〕 共聚物是偏氟乙烯〔 VDF〕 和三氟乙烯〔 TrFE〕 的共聚物, 可以看作是PVDF 中的VDF 单体部分被TrFE 单体取代所形成；其铁电性也是源于B相的PVDF, 这种材料更适用于医用超声换能器或压力传感器；〔四〕新型压电单晶近年来, 对新的压电晶体弛豫型铁电单晶铌镁酸铅- 钛酸铅[ 〔 1- x〕 Pb 〔Mgl/ 3Nb2/ 3〕 O3 - XPbTiO3],弛豫铁电体〔 1- x〕 Pb〔 B1B2〕 O3- xPbTiO3〔B1= Mg, Zn, Ni, Fe, Sc, In; B2 = Nb, Ta, W〕 精品.是具有复合钙钛矿结构的赝二元固溶体, 随着PbTiO3〔 简称PT〕 含量的增加, 发生成分诱导的结构相变；20 世纪八十岁月初, J. Kuwata 等[ 11] 用助熔剂法生长出了能用于压电性能表征的PZN- PT单晶, 其压电性能已经远远高于PZT 系压电陶瓷；〔五〕压电复合材料压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的, 通常见到的是由压电陶瓷〔 例如PZT, PbTiO3〕和聚合物〔 例如聚偏氟乙烯或环氧树脂〕 组成的两相复合材料；这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点, 与传统的压电陶瓷〔 或与压电单晶〕相比, 它具有更好的柔顺性和机械加工性能, 克服了易碎和不易加工的缺点, 且密度Q小, 声速v 低〔 声阻抗力Qv 小〕 , 易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配；与聚合物压电材料相比, 它具有较高的压电常数和机电耦合系数, 因此灵敏度很高；压电复合材料仍具有单相材料所没有的新特性,例如, 当电压材料与磁致伸缩材料组成的复合材料就具有磁电效应；〔六〕无铅压电陶瓷随着环境问题的日益严肃, 人们开头对讨论过的材料生产及使用进行重新注视；更新日益恶化的环境以及转变大量消耗不行再生资源的状况迫在眉睫；因此, 进展环境和谐性材料〔 绿色材料〕 及技术是材料进展的趋势之一；日本在无铅压电陶瓷的讨论和开发上, 论文和专利的数量最多, 在世界上占主导位置；但总体上讲, 无铅压电陶瓷的性能与铅基陶瓷相比, 仍存在较大的差距,要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系, 仍需进行大量深化的讨论工作；最近几年, 钛酸铋钠〔 Na1/ 2, Bi1/ 2〕Ti03〔 BNT〕 系统和含铋层状结构无铅压电陶瓷的讨论和开发极为活跃, 它们有可能在某些电子产品中得到实际应用；在我国, 无铅压电陶瓷的讨论课题已经列入最新的国家精品./ 8630方案；〔七〕弛豫铁电单晶体1997 年国际上在弛豫铁电单晶体的讨论上取得了突破性进展, 胜利地生长出接近有用要求的大尺寸PMNPT 和PZNPT 单晶体, 其机电耦合系数k33高达92%以上, 压电系数d332000 @ 10- 12C/N, [ 001] 方向上的电致应变为1. 7%, 储能密度达到了130J/ kg；全部这些指标均远超过了现有的各种电致伸缩材料和压电材料, 为医学超声成像、声纳探测、高应变驱动器、高密度储能器和机敏材料系统供应了一种前所未有的新材料, 引发了这一领域的革命性变革；〔八〕压电陶瓷,高聚物复合材料目前压电复合材料讨论在国际上反常活跃,自Newnham 提出连通性概念及10 种连通模式之后, 20 多年来此类材料进展特别快速；应用范畴也从压电传感器、水声器扩展到无损探伤、宽带横波换能器、非匀称振动换能器及智能材料系统等领域；为使压电复合材料具有更精密的空间结构, 一系列新的成形工艺, 包括脱模法、注模成形法、遗留法、层压法、纤维编织法、共挤出法等应运而生, 可获得精度在50~ 100Lm 甚至20Lm 左右的精细结构；新兴的快速成形工艺为制作几何外形特殊的压电高聚物复合材料供应了可能；314 压电薄膜，随着微机电系统技术的快速进展, 实现电子器件概念上的突破在很大程度上推动了从体材料讨论向薄膜材料讨论的转变；薄膜易于满意对几何尺寸的要求, 成本低于昂贵的单晶铁电材料；20 世纪90 岁月初兴起的铁电薄膜进展特别快速；压电薄膜的制备方法主要有溶胶- 凝胶法〔Sol- Gel〕 、射频磁控溅射、金属有机物化学气相淀积〔MOCVD〕 、脉冲激光沉积〔 PLD〕 、分子束外延〔MBE〕 、LSM- CD〔 液态源雾化化学沉积〕 等, 而如何制备择优取向的PZT 铁电薄膜, 以获得最优的薄膜压电性能精品., 满意微型驱动器日益增长的使用要求.〔九〕纳米压电陶瓷日本名古屋国立工业讨论院陶瓷科学部工程陶瓷试验室基于钛锆酸铅〔 PZT〕 与粘性极好的金属〔 如Ag 和Pt 〕 粉末合成的纳米复合材料, 开发出新的长寿命的纳米结构压电陶瓷；陶瓷的断裂强度是100~ 150MPa, 断裂韧度超过1. 0~ 1. 5 MPa；与传统的PZT 相比, 抗裂纹扩展性能高3、4 倍；在沟通电压下, 反复加载疲惫测试说明该材料明显能抗击裂纹扩展；新型压电陶瓷有极好的机械和电性能, 应用前景宽阔；详细的压电材料的实际应用生物领域将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压电陶瓷来实现生物仿生; 纳米发电机用氧化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液流淌产生的机械能转变为电能, 供应纳米器件来检测细胞的健康状况PVDF 薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中；军事方面压电材料能在水中发生、接受声波, 用于水下探测、地球物理探测、声波测试等方面; PZT 薄膜因其热释电效应而应用在夜视装置、红外探测器上; 利用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动掌握;压电复合材料用在压力传感器检测机身外情形和卫星遥感探测装置中；光电信息领域压电材料具有电光效应、非线性光学效应、光折变效应等光电特性, 在光电方面的应用有声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光储备等; 精品.利用压电材料的压电效应和热释电效应可以对外界产生的信号进行处理、传输、储存, 用在机器人和其它智能结构中, 用PVDF 压电材料制成触觉传感器已能感知温度、压力及识别边角棱等几何特点；可再生能源利用压电效应收集海浪、风力、人力、汽车产生的振动能量实现机械能的再生利用；危机电系统可以为各类小型装置供应平均输出功率为250-950W的电源, Platt 等用多层压电振子实现小体积压电结构的高能量输出, 通过电路并联输出30V 左右的开路电压; 海浪发电利用海浪对压电材料的拉伸和放松, 通过电子元件变成为低频高压电流; 时速为16 公里的微风挤压或舒展微型风车中的压电材料便可产生7. 5mW 的电能, 能将18% 的风能转化为电能; 发电鞋[ 16] 通过脚对鞋。