高分子压电材料((1))
压电材料
n ⑵压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极
化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一 端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界 的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向 平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距 变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自 由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
点燃可燃气体
（2）点火器结构和工作原理 点火器种类繁多，现以家用压电点火 器为例说明它的结构和工作原理。
如图所示的点火器，可固定在家 用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1
三 压电材料的应用
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
三 压电材料的应用
三 压电材料的应用
压电振动 压
压电材料
一 认识压电材料
压电材料有哪些： • (1) 天然晶体 ：石英 .电气石 • (2) 人工陶瓷：pbTiO3 PZT（锆钛酸铅） • (3) 高分子材料：PVDF（聚偏氟乙烯）
二 压电效应
• 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生 形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反 之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆 压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在 与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转 换、传感、驱动、频率控制等功能。
• 图石英晶体的外形 (a)天然石英晶体；
• (b)人工石英晶体； • (c)右旋石英晶体理想外形
三 压电材料的应用
• 由于压电效应具有两方面的特征所以其应用也分 为两方面
压电材料的分类
2
这种特性被广泛应用于各 种领域，包括电子学、超 声波、传感器、执行器等
3
以下是对压电材料的主要 分类
1
压电单晶体
压电单晶体
01
压电单晶体是最早被发现和应用的 压电材料
02
例如，石英、铌酸锂、钽酸锂等都 是常见的压电单晶体
这些材料在晶体结构上具有特殊的
03
对称性，使得它们在机械应力的作
6
其他类型压电材料
其他类型压电材料
除了以上几种常见的 类型外，还有一些其 他类型的压电材料， 例如半导体压电材料、 超晶格压电材料等。 这些材料在某些特定 领域表现出独特的性
能和应用前景
总的来说，压电材料 的种类繁多，不同的 类型具有不同的特性 和应用场景。在选择 压电材料时，需要根 据实际应用需求来选 择合适的类型和性能
➢ 以上是对压电材料分类的 进一步补充和完善。不同 类型的压电材料具有不同 的特性和应用场景，选择 合适的类型和性能指标对 于实际应用至关重要。同 时，随着科学技术的发展 和创新，未来还可能出现 更多新型的压电材料，为 人类的生产和生活带来更 多的便利和效益
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功能梯度压电材料
功能梯度压电材料
功能梯度压电材料是一种压电 材料，其压电性质在材料的内
部呈现出连续的梯度变化
这种材料主要用于制造高效能 执行器、传感器等，具有较高 的输出性能和优异的热稳定性
功能梯度压电材料的制备工艺 比较复杂，但具有广泛的应用
前景
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智能压电材料
智能压电材料
智能压电材料是一种具有自适应能力的压电材料 这种材料能够在外部环境变化时自动调整自身的 性能参数，如形状、刚度、频率等，从而实现在 线监测、自适应控制等功能
压电高分子材料培训材料
03
竞争格局及市场份额分布
当前压电高分子材料市场呈现多头竞争格局，市场份额分布较为分散，
尚未形成明显的市场领导者。
政策法规环境影响因素剖析
相关政策法规概述
国家出台了一系列支持新材料产业发展的政策法规，如 《新材料产业发展指南》、《中国制造2025》等，为压电 高分子材料产业提供了政策保障。
环保法规对产业的影响
原理阐述
压电高分子材料的压电效应源于其内部偶极子的重新排列。当施加外力时，偶极子发生偏 移，导致材料内部产生电势差，从而输出电荷。测试方法通过测量输出电荷或电压来评估 材料的压电性能。
评估指标体系建立与应用
压电常数
衡量压电高分子材料压电效应强 弱的物理量，包括压电应变常数 和压电电压常数。这些常数可用 于评估材料在不同频率和振幅下
压电高分子材料基本
02
原理
压电效应及其产生机制
压电效应
指某些材料在受到机械应力作用时，会在其内部产生电荷分离，从而形成电势 差的现象。
产生机制
压电效应的产生与材料的晶体结构密切相关。在具有非中心对称晶体结构的材 料中，机械应力会导致晶体内部正负电荷中心发生相对位移，从而产生电偶极 矩，形成电势差。
应用领域与前景
应用领域
压电高分子材料在传感器（如压力传感器、加速度传感器等）、驱动器（如微型机器人、精密定位器等）、换能 器（如声呐、超声波探头等）等领域具有广泛应用。
前景
随着科技的进步和需求的增长，压电高分子材料的应用领域将不断拓展。未来，其在柔性电子、可穿戴设备、生 物医学等新兴领域的应用前景将更加广阔。同时，随着材料制备技术的不断创新和完善，压电高分子材料的性能 将不断提高，成本将不断降低，为推动相关领域的发展做出更大贡献。
压电材料
IT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
2 4e11 k 1C11
三、机电耦合系数 依 k 的定义式则:
不同方向 k 不同，因此有 k11, k22，k33，… kij 等， 例如，薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为 k31, 圆柱体轴向 伸缩模式的耦合系数为k33，方片厚度切变模式的耦合系数为 k15, 薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为 kP 等等。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)，通常 用ε 表示。当压电材料的电行为用电场强度 E 和电位移 D 作变量来描述时，则有： D= ε E 考虑到 D 和 E 均为矢量，在直角坐标系中，上式可以表 示为以下的矩阵形式：
EXIT
第三章
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
二、压电常数 应该指出，对于国际单位制有:
D=ε 0E+P 当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表示式中的 P 均可换为 D。ε 0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。 它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
EXIT
第三章
§3.1 压电效应的机理
压电材料
晶体共有 32 个点群，也就是按对称性分为 32 类。 其中20类是非中心对称的，它们有可能具有压电效应。 不过，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即 使无对称中心并不足以保证具有压电性。 只有少数几种晶体材料才具有压电效应。 所有晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加 应力，将改变晶体的电极化。 但是，压电晶体不同时具有铁电性。 石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体 又是铁电体。
高分子压电材料及热电材料
热电材料性能表征与评价
热电优值
电导率测试
评价热电材料性能的重要指标，与材料的 电导率、热导率和塞贝克系数有关。
通过测量材料的电阻率或电导率来表征其 导电性能。
Hale Waihona Puke 热导率测试塞贝克系数测试
通过测量材料的热扩散系数、比热容和密 度来计算其热导率。
通过测量材料两端的温差和产生的电动势来 计算其塞贝克系数，表征材料的热电转换效 率。
高分子压电材料性能表征与评价
01
02
03
04
压电常数
衡量高分子压电材料压电性能 的重要参数，包括压电应变常
数和压电电压常数。
介电性能
影响高分子压电材料的极化程 度和电荷存储能力，包括介电
常数和介电损耗。
机械性能
高分子压电材料的机械强度、 刚度和韧性等对其应用性能有
重要影响。
稳定性
高分子压电材料在长期使用过 程中需要保持稳定的压电性能
特点
具有柔韧性好、易于加工成型、 成本低廉、生物相容性好等优点 ，但压电性能相对较弱。
高分子压电材料制备技术
溶胶-凝胶法
通过溶胶-凝胶过程制备 高分子压电薄膜或复合
材料。
电纺丝法
利用电场力制备高分子 压电纤维或纳米线。
压电共混法
其他方法
将压电陶瓷颗粒与高分 子基体共混，制备高分
子压电复合材料。
包括化学气相沉积、物 理气相沉积、喷涂法等。
出了多种具有优良性能的材料，并在一些领域得到了应用。
02 03
存在问题与挑战
然而，高分子压电材料和热电材料的研究仍面临一些问题和挑战，如性 能稳定性、耐温性、耐候性等方面的不足，以及制备工艺和成本等方面 的限制。
PVDF技术参数
聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。
到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。
锦州科信电子材料有限公司以清华大学为技术依托，成功地实现了PVDF压电膜国产化批量生产。
它具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。
与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。
在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。
产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。
性能及特点：PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用。
PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；电容值高，可以采用低淙胱杩沟囊瞧髯鞯推到邮铡?SPAN lang=EN-US>PVDF压电膜优点如下：(1) 良好的工艺性。
可用现有设备进行加工；(2) 能制作大面积的敏感元件；(3) 频带响应宽(0～500MHz)；(4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；(5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)；(6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；(7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值；(8) 与压电陶瓷相比有更低的导热性；并能制得更薄的薄膜；(9) 柔软坚韧(PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍,并且轻(比重只有PzT的1/4左右)；能制成所需的各种较复杂的形状(锥形、穹顶形等)，可使用在需要具有特殊定向的元件中。
pvdf压电材料制备工艺
pvdf压电材料制备工艺PVDF压电材料制备工艺PVDF（聚偏氟乙烯）是一种高分子材料，具有良好的压电性能，因此被广泛应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
下面介绍一下PVDF压电材料的制备工艺。
1. PVDF的制备PVDF的制备一般采用溶液法或熔融法。
溶液法是将PVDF溶解在适当的溶剂中，然后通过蒸发或冷却结晶的方式得到PVDF。
熔融法是将PVDF加热至熔点，然后通过冷却结晶的方式得到PVDF。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
2. PVDF压电材料的制备PVDF压电材料的制备一般采用拉伸法或压延法。
拉伸法是将PVDF薄膜在一定的温度和拉伸速度下进行拉伸，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
压延法是将PVDF薄膜在一定的温度和压力下进行压延，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
3. PVDF压电材料的应用PVDF压电材料的应用非常广泛，主要应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
其中，压电传感器是PVDF压电材料的主要应用领域之一，它可以将机械信号转换为电信号，从而实现对机械信号的检测和测量。
压电马达是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为机械运动，从而实现对机械运动的控制和调节。
压电声波器件是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为声波信号，从而实现对声波信号的发射和接收。
PVDF压电材料具有良好的压电性能，制备工艺也比较简单，因此在压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域有着广泛的应用前景。
电子材料压电材料
电子材料压电材料一、压电材料定义压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，能够将机械压力转化为电荷信号或者将电场转化为机械运动。
这种材料的压电效应来源于晶格结构的非对称性，当外力作用于压电材料上时，会导致其中的电荷分布不均匀，产生电势差，从而产生电荷信号。
相反，当施加电场时，材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动，这就是逆压电效应。
、压电材料类型1、晶体类压电材料：如石英等，它们具有优异的压电性能，但成本较高。
2、陶瓷类压电材料：如铅酸钡、钛酸钡等，它们是应用最广泛的压电材料之一，具有良好的压电性能和较低的成本。
3、高分子类压电材料：如聚乙烯二醇、聚偏氟乙烯等，这些材料具有良好的柔韧性和可塑性，适用于一些特殊应用场合。
4、单晶类压电材料：如压电单晶铁酸锆、压电单晶铁酸钛等，这些材料具有极高的压电性能，适用于一些高端应用领域。
5、复合类压电材料：如压电陶瓷-高分子复合材料等，这些材料综合了多种材料的优点，具有比较优异的压电性能和机械性能，适用于一些特殊的应用场合。
三、压电材料原理压电材料的原理是基于晶体结构的非对称性，当施加外力或电场时，晶体结构会发生形变，导致其中的正负电荷分布不均，从而产生电势差。
这种现象被称为直接压电效应。
具体来说，压电材料的晶体结构可以被看作是由正负离子交替排列而成的极化晶体。
当施加外力（如压力、挤压、弯曲等）时，晶体结构会发生畸变，导致其中的正负离子分布不均，从而产生电势差。
这个电势差就是压电材料产生的电信号。
逆压电效应与直接压电效应相反，即当施加电场时，压电材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动。
四、压电材料应用1、传感器：压电材料可以将机械压力转化为电信号，因此常被用作传感器的敏感元件。
例如，压电材料可以用于测量压力、重量、应力、振动等物理量。
2、声波器件：压电材料的逆压电效应可以将电信号转化为机械振动，因此可以制成各种声波器件，如扬声器、麦克风、声波传感器等。
高分子压电材料((1))
①结晶高分子+压电陶瓷 ②非晶高分子+压电陶瓷
高分子压电材料发展：
1940年，前苏联发现木材具有压电性.之后相继发现苎麻， 丝竹，动物的骨，腱，皮肤，筋肉，头发和血管等都有压 电性 1950年，日本开始研究纤维素和高取向，高结晶度生物体的 压电性
压 电 显 示 屏
听诊器
生活中随 处可见压电 材料应用
煤气灶压电点火装置
压电效应：
高分子压电材料的优点：
（区别于无机压电材料及热电材料） 柔而韧，可制成大面积薄膜，便于大规模集成化，具有力学 阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合等优越性，比常规 无机压电材料有更为广泛的应用前景。
高分子压电材料分类
1960年，发现人工合成高聚物的压电性。
1969年极化的聚偏二氟乙烯（PVDF）被发现具有强的压电 性，压电高分子材料开始逐步被推向实用化阶段。
目前已知压电性较强的高分子材料除了PVDF及其共聚物外 还有聚氟乙烯（PVF），聚氯乙烯（PVC），聚-γ-甲基L-谷氨酸酯（PMLG），聚碳酸酯（PC）和尼龙-11等。
pvdf聚偏二氟乙烯优良的高分子压电材料柔软而有耐性耐冲击既可以加工成几微米厚的薄膜也可弯曲成任何形状也利于器件小型声阻低可与液体很好的配合其他压电高分子尼龙7尼龙9尼龙11新的压电材料将两种单体芳香二胺及二异氰酸酯在真空中蒸发到基板上预聚之后在电场下偶极取向然后聚合为高聚物
高分子压电材料
班级： 姓名： 学号：
高分子驻极体 ——最有实用价值的压电材料
定义：偶极取向可在冷却后被固定，能长期保持极化状态的 聚合物电介质材料
成型方法:
极性高分子（高 温软化后熔融状 态） 高直流 电压 极性高分子材料 被极化
高分子压电材料()
除了聚合物基压电材料外，还有一些高 分子复合压电材料，如聚合物/陶瓷、 聚合物/纤维复合材料等，这些材料通 过不同材料的协同作用，实现了优异的
压电性能。
生产工艺的改进与成本控制
高分子压电材料的生产工艺对材料的性能和成本具有重要影响。传统的生产工艺流 程长、能耗高、成本高，因此需要不断改进生产工艺，降低成本。
要点二
详细描述
高分子压电材料能够将机械能转换为电能，因此在太阳能 和风能发电领域具有潜在的应用价值。通过利用高分子压 电材料的特性，可以开发出更为高效和可靠的发电装置， 为新能源技术的发展提供有力支持。
在智能传感器和执行器中的应用前景
总结词
高分子压电材料在智能传感器和执行器领域 具有广泛的应用前景，如智能机器人、智能 穿戴设备等。
聚合物复合材料
总结词
通过将压电陶瓷与高分子材料复合，获得优异的压电性能和良好的加工性能。
详细描述
聚合物复合材料是一种由压电陶瓷和有机高分子材料复合而成的新型材料。这种 材料结合了压电陶瓷的高压电性能和有机高分子材料的易加工性，使得聚合物复 合材料在压电传感器、换能器等领域具有广泛的应用前景。
有机聚合物
特性
具有压电性、弹性、介电性等特 性，广泛应用于传感器、换能器 、驱动器等领域。
高分子压电材料的出现与发展
出现
随着高分子材料科学的发展，人们发现某些高分子材料也具 有压电性，从而开启了高分子压电材料的研究与应用。
发展
高分子压电材料具有轻质、易加工、低成本等优点，在传感 器、换能器、驱动器等领域展现出巨大的应用潜力。随着技 术的不断进步，高分子压电材料在各领域的应用越来越广泛 ，成为当前研究的热点之一。
总结词
具有较好的柔韧性、质轻、易加工等特点，但压电常数相对较低。
压电陶瓷简介
使压电材料的压电效应消失的温度。
压电材料的主要特性
转换性能：要求具有较大的压电常数。
机械性能：机械强度高、刚度大。 电性能：高电阻率和大介电常数。
环境适应性：温度和湿度稳定性要好，要求具
有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。
E贮 机械品质因子Qm : Qm E损
压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损耗的能 量E损之比称为机械品质因子Qm。
压电材料的主要性能参数
cL (常数） 频率常数Nt: N t tf 0 2
压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数， 这个常数叫做频率常数。
奥迪威公司压电蜂鸣片
电声元件
开放式超声波传感器
超声波雾化片
奥迪威其它压电产品
超声波马达
C-171微型旋转陶瓷电机
超声波压电陶瓷电机
液晶电视用模组
压电陶ห้องสมุดไป่ตู้点火器
谢谢
压电陶瓷历史
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水
下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器， 并用于探测水下的物体。 1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械 谐振频率特有的电性能，导致罗息盐电声组件问 世。 1921年 相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创 了压电效应在稳频、计时和电子技术方面 的应用。
压电材料应用
压电陶瓷按照应用分类共分为七大类： 压电振荡器及材料 压电声电组件：蜂鸣器、送话器、受话器、压电喇叭 压电超音波换能器：超音波清洗、超音波雾化、超音波美容、 超音波探测 信息处理组件：滤波器、谐振器、检波器、监频器、表面声波、 延迟线 动力装置：点火器、超音波切割、超音波粘接、压电马达、压 电变压器 压电传感器：速度、加速度计、角速度计、微位移器 光电组件：光调节器、光调节阀、光电显示、光信息储存、影 象储存和显示 目前市场容量最大的组件是频率组件，主要包括滤波器和谐振器。
高分子压电材料
高分子压电材料
高分子压电材料是一种具有压电效应的材料，它能够在外加电场的作用下产生机械变形，反之亦然。
这种材料在电子、通信、医疗等领域有着广泛的应用前景，因此备受关注。
在本文中，我们将介绍高分子压电材料的基本原理、特性及其应用前景。
首先，高分子压电材料的压电效应是基于其分子结构的非对称性而产生的。
当外加电场作用于材料时，分子内部会发生位移和极化，从而导致材料的形变。
而当材料受到外力形变时，也会产生电荷极化，从而在材料表面产生电压。
这种双向的压电效应使得高分子压电材料成为一种重要的功能材料。
其次，高分子压电材料具有许多优异的特性，例如高压电系数、良好的柔韧性和耐疲劳性等。
这些特性使得高分子压电材料在传感器、能量转换器等领域有着广泛的应用。
同时，高分子压电材料还具有较好的生物相容性，因此在医疗器械、人体植入器件等方面也有着巨大的潜力。
此外，高分子压电材料在能源领域也有着重要的应用前景。
利用高分子压电材料的压电效应，可以将机械能转化为电能，从而应用于自动化控制、能量采集等方面。
特别是在可穿戴设备、智能手机等电子产品中，高分子压电材料的应用将大大提升设备的自持续能力。
综上所述，高分子压电材料具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
随着材料科学的不断发展和进步，相信高分子压电材料将会在更多领域展现其独特的价值，为人类社会的发展做出更大的贡献。
希望本文的介绍能够让更多的人了解和关注高分子压电材料，促进其在实际应用中的进一步发展和创新。
压电高分子材料
3.表征与模拟
3.1 表征
大多数用于压电陶瓷的压电性能表征的方法都适用于压电高聚物。 基于共振分析和等价电路的方法可以被用来表征半结晶 PVDF 和其共聚 物， IEEE 标准中有所概述 。
共振分析应用于压电高聚物研究的细节问题在 Sherrit 和 BarCohen 有所探究 。 由于 IEEE 标准方法对高聚物本性的损耗，还需要其 他的表征技术来更精确地描述材料压电性能。 准静态直接法就是一种适应性很强的方法，能够充分研究聚合物 压电响应。 这种直接方法尤其适于非晶高聚物的表征研究。 热激励电流测量（ TSC）方法用于测量高聚物的剩余极化强度，应 变和电荷的直接测量方法用于研究与电场，频率和应力相关的压电系 数。
胡 南,刘雪宁,杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展[A]. 高分子通报,2004.
4.主要应用
4.1 电声换能器
压电高分子材料的比重小，频率响应好，所以特别适合做 电声材料。 利用压电薄膜的横向、纵向效应，可制成扬声器、耳机、扩 音器、话筒等音响设备，也可用于弦振动的测量。
扬பைடு நூலகம்器运用到压电薄膜
压电高分子（高聚物）材料
Piezoelectric Polymer Materials
报告人： 符彩涛 学 号：157692196 材料工程
目录
发展现状 压电高分子
表征与模拟
主要应用 应用前景
1.发展现状
压电高聚物的发展已有三四十年的历史，但至今科技工作者对其压电 性的成因及其性能的研究仍处于探索阶段。
天然压电高分子材料 合成压电高分子材料
① 结晶高分子+压电陶瓷
复合压电材料
② 非晶高分子+压电陶瓷
压电复合材料晶片
《传感器技术》作业(3)
《传感器技术》作业（3）一、填空题1. 导体在磁场中运动切割磁力线，导体两端会出现感应电动势E ，闭合导体回路中感应电动势e=-N dt d φ；当线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势e=-NBlv ；若线圈以角速度ω转动，、则感应电动势e=-NBS ω。
2. 只要线圈磁通量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的主要方法有线圈与磁场发生相对运动，磁路中磁阻变化，恒定磁场中线圈面积变化。
当传感器结构参数确定后，感应电动势e 与线圈相对磁场的运动速度v 或ω成正比。
所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。
3. 磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。
4. 电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管道中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势E=B v D ，其中B 是磁感应强度，v 是平均流速，D 是距离，常与测量管内径相等。
流经测量管流体的瞬时流量Q 与流速v 的关系为Q=аv =42D πv 。
5. 在如图6-9所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流I ，在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为B 的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生大小正比于控制电流I 和磁感应强度B 的现象，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。
在薄片两侧之间建立的电场E H ，称为霍尔电场，相应的电势U H 称为霍尔电势。
霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。
6. 霍尔电势U H =d IBR H =KHIB ，其中R H 是霍尔系数（m3/c ）、I 是控制电流（A ）、B 是磁感应强度（T ）、d 是半导体薄片厚度（M ）、KH 是灵敏度系数，R H =ρμ，其中ρ为载流体的电阻率，μ为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是N 型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。
压电材料及压电元件的结构
1.2 压电元件的结构型式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使
用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如
下图所示。图a为并联
接法，其输出电容C＇
为单片的n倍，即
C＇=nC，
U＇=U，Q＇=nQ。
图中b为串联接法，
这时有Q＇＝Q，
U＇= nU，C＇=C/n。
a)
b)
在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本 身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本 身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入 阻抗很高的场合。
4.压电陶瓷
这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有 烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。
1) 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和 TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电 常数。但它的居里点较低，为120℃，此外机械强度不 如石英。
2 ) 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 ( PZT) 锆 钛 酸 铅 是 PbTiO3 和 PbZrO3 组 成 的 固 溶 体 Pb(Zr·Ti)O2。 它 具 有 较 高的压电系数和居里点(300℃以上)。
2.水溶性压电晶体
这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、 硫 酸 锂 ( Li2SO4H2O)、 磷 酸 二 氢 钾 ( KH2PO4) 等 。 水 溶 性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但 易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度 低的环境下。
3.铌酸锂晶体
铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里 点为1210℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性， 在耐高温传感器上有广泛的前途。
压电材料Qf值
压电材料Qf值压电材料分为压电单晶体，多晶体压电陶瓷、高分子压电材料及聚合物-压电陶瓷复合材料四类。
由于其具有不同的工艺及应用特点，因此应用领域各有不同。
在这四类压电材料中，压电陶瓷占据有相当大的比重，也是目前市场上应用最为广泛的压电材料。
引言1880年居里兄弟发现，在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使晶体表面出现电荷，并且电荷的密度与施加外力的大小成比例，这就是压电材料的正压电效应。
随后，居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并且得到了石英晶体的正逆压电系数。
1894年沃伊特指出，结构上具有不对称中心的晶体介质都可能是压电材料。
在现代社会中，压电材料作为机电转换的功能材料，在高新领域扮演着重要的角色。
目前，利用压电材料制作的压电传感器广泛的应用于压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等电子器件中，在卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域都有着重要的地位。
随着电子工业的快速发展，压电材料逐步出现复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化等趋势，性能优良的压电材料将成为本世纪最重要的新材料之一。
压电效应原理压电材料即具有压电效应的一类功能材料。
压电效应是指材料在压力作用下产生电信号的效应；或者在电场作用下，材料发生机械形变的现象。
材料的压电性由压电常数决定，与晶体的对称性密切相关。
石英晶体是最早发现的压电晶体，也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。
压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移，从而使得晶体的总电矩发生改变而造成的。
晶体是否具有压电性与晶体结构的对称性有关，只有具有不对称中心的晶体才有可能具有压电特性。
因为压电晶体首先必须是不导电的，同时结构上还必须要有分别带正电荷和负电荷的质点—离子或离子团的存在。
因此，压电晶体还必须是粒子性晶体或有离子团组成的分子晶体。
压电材料主要特性：一般来说，压电材料应具备以下几个主要特性：（1）转换特性：要求具有较高的压电常数d33；（2）机械性能：机械强度高、刚度大；（3）电性能：高电阻率和高介电常数，防止加载驱动电场时被击穿；（4）环境适应性：温度和湿度稳定性好，要求具有较高的居里点，工作温度范围宽；（5）时间稳定性：要求压电性能不随时间变化，增强压电材料工作稳定性和寿命。
压电高分子材料培训材料
3
化学合成法
采用化学反应合成方法，合成具有压电 性能的高分子材料。
压电高分子材料在电子设备中的应用
无线充电
柔性显示屏
触摸传感器
利用压电高分子材料将机械振动 转化为电能，实现无线充电技术。
压电高分子材料的特殊性能使其 成为柔性显示屏的重要组成部分。
将压电高分子材料用作触摸传感 器，实现触摸屏技术。
压电高分子材料在医疗领域中的应用
压电高分子材料的分类
有机高分子材料
包括聚乙烯醇、聚醋酸乙烯等。
无机高分子材料
如聚酰亚胺、聚二氧化硅等。
复合高分子材料
由有机和无机材料组成的复合体。
压电高分子材料的制备方法
1
溶液法
将高分子材料溶于适当的溶剂，并采用
熔融法
2
溶液转移法、薄膜拉伸法等进行制备。
通过将高分子材料加热到熔点并进行模
具成型，制备压电材料。
2 可持续发展
研究更环保的制备方法和替代材料， 实现可持续的压电高分子材料。
3 智能化应用
将压电高分子材料与其他智能材料结合，实现更多智能化应用。
压电高分子材பைடு நூலகம்培训材料
压电高分子材料是一种能够产生电荷当受到应力或压力作用时的材料。它们 在电子设备和医疗领域中发挥着重要作用，并具有潜在的未来发展。
压电高分子材料的定义
压电高分子材料是一种特殊的聚合物，具有压电效应。当施加力或压力时， 这些材料能够产生电荷，反之亦然。
压电效应的原理和作用
压电效应是压电高分子材料特有的属性。当施加力或压力时，材料内部的极 性结构会发生改变，导致电荷的分离，从而产生电压和电场。
1
人工听觉
将压电高分子材料用于人工耳蜗和助听器，恢复听力功能。
(word完整版)压电传感器分类及特点
(word完整版)压电传感器分类及特点压电传感器分类及特点压电介质可分为三类：（1）石英晶体（天然，单晶休)；(2)压电陶瓷(人工制造，多晶体);（3)高分子压电材料.1。
石英晶体石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料.它具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在20—200℃时，仅为—0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器.2.压电陶瓷压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观极化区。
无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各异，因此压电陶瓷平时呈电中性。
当施加外电场时,极化方向统一，此时围绕原子核的电子获得动能，脱离原子核束缚成为自由电子.这些自由电子和失去电子显正电性的原子核在外电场作用下逐渐形成内部微弱势垒电场。
从电工学理论可知，微观上所谓势垒电场就是“两侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观上表现为压电陶瓷表面呈现大量电荷。
压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。
换句话说，压电陶瓷也具有压电效应.常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷（PZT）、非铅系压电陶瓷等。
3。
高分子压电材料高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。
它的特点是压电常数较高，如聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）的压电常数比压电陶瓷高十几倍,其输出脉冲电压可直接驱动 CMOS集成门电路。
这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。
另外，价格便宜,不易破碎，具有防水性。
其测量范围可达80dB，频响范围从0.1Hz直至10九次方Hz。
可见它是一种较为理想的电声材料。
高分子压电材料的工作溢度适用范围为100℃以下，机械强度较低，不耐紫外线照射。
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高分子压电材料及热电材料ppt课件
4
• 各向同性的非晶态聚合物对应力的响应与 方向无关，不能预示在零电场时它会有压 电及热电响应。然而若人为地使样品内分 子偶极子的排布从优取向，则样品就可能 具有压电及热电效应。
5
• 对于晶态聚合物，可将压电张量与热电张 量的分量记为。
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• 沿十3方向的拉应力将使样品厚度增加．电极电荷 下降，故d33为负，记为d33-沿1与2方向的应力使 样品厚度下降，电极电荷增加，因而d31与d32为正。 d24与d15分别代表切应变力T4与T5产生的压电常数 分量，由于绕轴l发生正切变，切变应力T4使偶极 子由十3方向旋转到十2方向，在切应变前，电位 移D2＝0，切应变后，1与3方向因切变前后状态 不变而不发生压电效应，即d24≠0， d14＝d34＝ 0．同理，切变应力T5使偶板子由十3方向旋转到 十1方向，即d15≠0, d25＝d35＝0．至于切变应力T6 因它不使1、2、3方向的极化状态改变，故d16＝ d26＝d36＝0．
7
• 热电常数。因为沿1、2轴不存在净偶极矩， 故p1=p2＝0，温度增加使晶体膨胀，极化 强度下降，故p3负，记为p3-
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压电高分子材料分类
• 虽然几乎所有的高分于材料都具有一定的 压电性，通常可把具有实用价值的压电高 分子材料分为3类：天然高分子压电材料， 合成高分子压电材料；复合压电材料（晶 态高分子十压电陶瓷，非晶高分子十压电 陶瓷）
28
• 聚偏氟乙烯链的序列结构
• 单体链节A是正常的头—尾结构，而B、C、 D是头—头或尾—尾结构，是不规整链节， 就会有反方向的—CF2-偶极子，从而降低 压电率．
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• 聚合物的极性与其晶相结构有关．PVDF在结晶 时．依赖于条件可以生成三种晶相，即α、β、γ相， 并在一定条件下可以互相转化，α相晶体的结构属单 斜晶系(β’=90。)，链具有一种滑移型tgtg (t表示反式， g表示左旁式，g’旁式)构象，β具有与链轴垂立及相 平行的偶极矩分量。同一晶胞内两条链的偶极矩呈 反平行，故晶体没有自发极化，呈反极化。当PVDF 薄膜在130℃以下定向拉伸到原始长度的几倍时，就 出现β晶相，用于正交晶系，相晶体中链是扩展的平 面锯齿型t t t t构象。在垂直链轴方向的偶极矩大(约 为7.06×10-30cm)，同一晶胞内两条链的偶极矩相互 平行，因而晶体有自发极化，为极性晶体。γ晶相是 PVDF在低于熔点的湿度和普通大气压下结晶得到的， 或在高温下通过熔融结晶得到。γ晶相的红外光谱与 β晶相的十分类型，用于正交晶系，链的构象近似为
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高分子压电材料分类
• 天然高分子压电材料 • 合成高分子压电材料 • 复合压电材料
①结晶高分子+压电陶瓷 ②非晶高分子+压电陶瓷
高分子压电材料发展：
1940年，前苏联发现木材具有压电性.之后相继发现苎麻， 丝竹，动物的骨，腱，皮肤，筋肉，头发和血管等都有压 电性 1950年，日本开始研究纤维素和高取向，高结晶度生物体的 压电性
其他压电高分子
• 亚乙烯料 将两种单体芳香二胺及二异氰酸酯在真空中蒸发到基板 上，预聚之后在电场下偶极取向，然后聚合为高聚物。
这种方法可以做成各种形状、任意厚度的产品。这 种材料的热稳定性比PVDF好！
压电高分子材料应用 1.电声换能器 利用压电薄膜的横向、纵 向效应，可制成扬声器、 耳机、扩音器、话筒等音 响设备，也可用于弦振动 的测量
高分子压电材料
班级： 姓名： 学号：
压 电 显 示 屏
听诊器
生活中随 处可见压电 材料应用
煤气灶压电点火装置
压电效应：
高分子压电材料的优点：
（区别于无机压电材料及热电材料） 柔而韧，可制成大面积薄膜，便于大规模集成化，具有力学 阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合等优越性，比常规 无机压电材料有更为广泛的应用前景。
1960年，发现人工合成高聚物的压电性。
1969年极化的聚偏二氟乙烯（PVDF）被发现具有强的压电 性，压电高分子材料开始逐步被推向实用化阶段。
目前已知压电性较强的高分子材料除了PVDF及其共聚物外 还有聚氟乙烯（PVF），聚氯乙烯（PVC），聚-γ-甲基L-谷氨酸酯（PMLG），聚碳酸酯（PC）和尼龙-11等。
图：扬声器中运用到压电薄膜
2.双压电晶片
将两片压电薄膜反向黏合起来，当一方拉伸时，另 一方压缩。PVDF双压电晶片比无机双压电晶片产生大得多 的位移量。用PVDF双压电晶片可制成无接点开关、振动传 感器、压电检测器等。在同样应力情况下的输出电压是用锆 钛酸铅Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）制造的传感器的 ７倍左右
３．超声、水声换能器 由于ＰＶＤＦ压电薄膜与水的声阻抗接近，柔韧性好， 能做成大面积薄膜和为数众多的阵列传感点，且成本低，是 制造水声器的理想材料。可用于检测潜艇、鱼群或水下地球 物理探测，也可用于液体和固体中超声波的接受和发射。
图：ＰＶＤＦ压电薄膜传感器
４．医用仪器 • ＰＶＤＦ的声阻抗与人体匹配的很好，可以用来测量人体 的心声、心动、心律、脉搏、体温、ｐＨ值、血压、电流、 呼吸，等一系列数据。目前还可以用来模拟人体皮肤。
５．其他应用 • 压电高分子材料还可以用于地震监测，大气污染监测，引 爆装置监测，各种机械振动、撞击的监测，干扰装置，信 息传感器，电能能源，助听器，计算机和通信系统中的延 迟线等方面。
压电材料展望：
• 未来电池新概念 边打键盘边人肉发电
利用压电材料的性 质，将动能转化成 电能存储，即让使 用者的点击与滑移 动作转换成电池的 电力
高分子驻极体 ——最有实用价值的压电材料
定义：偶极取向可在冷却后被固定，能长期保持极化状态的 聚合物电介质材料
成型方法:
极性高分子（高 温软化后熔融状 态） 高直流 电压 极性高分子材料 被极化
冷却后撤 除电场
驻极体
PVDF——聚偏二氟乙烯 ——优良的高分子压电材料
• 密度为压电陶瓷的1/4，
• 弹性柔顺常数则要比陶瓷大30倍 • 柔软而有耐性，耐冲击，既可以加工成几微米厚 的薄膜，也可弯曲成任何形状，也利于器件小型 化。 • 声阻低，可与液体很好的配合