压电原理及材料PPT课件
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有机压电材料及应用.ppt
1969年，Kawai发现了聚偏氟乙烯(简称PVDF)具有极强的压电效应，继而 出现了以聚偏氟乙烯为代表的压电高聚物的研究热潮，现在研究已从均 聚物扩大到共聚物、共混物和复合物，从结晶高聚物的压电性扩大到非 晶高聚物的压电性。PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器 领域发展的里程碑。
PVDF聚偏氟乙烯，分子式为—(CH2-CF2)n—，外观为半透明状。分子链间排列紧 密，又有较强的氢键，含氧指数为46%，不燃，结晶度65%~78%，密度 1.17~1.79g/cm3 , 熔点为172℃,热变形温度112~145℃,长期使用温度为40~150℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
大功率换能器和宽带 滤波器
标准频率控制的振子、高频、 高温超声换能器等
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
有机压电材料及应用
压电效应
当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，引起它内部正 负电荷中心相对转移而产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应
压电材料分类
压电材料分类 无机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
PVDF聚偏氟乙烯，分子式为—(CH2-CF2)n—，外观为半透明状。分子链间排列紧 密，又有较强的氢键，含氧指数为46%，不燃，结晶度65%~78%，密度 1.17~1.79g/cm3 , 熔点为172℃,热变形温度112~145℃,长期使用温度为40~150℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
大功率换能器和宽带 滤波器
标准频率控制的振子、高频、 高温超声换能器等
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
有机压电材料及应用
压电效应
当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，引起它内部正 负电荷中心相对转移而产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应
压电材料分类
压电材料分类 无机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
《压电陶瓷》课件
等。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt
其他类型
包括铁电陶瓷、铁磁陶瓷、多晶压 电陶瓷等。
压电性能表征方法
电滞回线
用于描述压电陶瓷在正弦波电场作用下的响应特性，可反映其压电系数、介电常数、电阻 率等参数。
频率特性
描述压电陶瓷在不同频率下的响应特性，包括介电常数和压电常数随频率的变化情况。
温度特性
研究压电陶瓷在不同温度下的性能表现，包括介电常数、压电常数、机械品质因数和电阻 率等参数随温度的变化情况。
微观结构与性能的关系
晶体结构
压电陶瓷的晶体结构对其压电性能有很大影响。例如，钙钛 矿型压电陶瓷的晶体结构由钙钛矿结构决定，其晶体结构中 的阳离子和氧离子的排列方式会影响其压电性能。
晶格振动
压电陶瓷的晶格振动对其压电性能也有重要影响。在一定温 度范围内，晶格振动会受到热运动的影响而变得无序，导致 压电性能下降。
01
制备工艺流程长
压电陶瓷的制备工艺流程较长，需要经过多个环节和步骤，而且每个
环节都有一定的技术要求和操作难点。
02
制备工艺条件要求高
压电陶瓷的制备工艺条件要求较高，需要严格控制制备过程中的温度
、气氛、时间等因素，否则容易出现产品质量不稳定的问题。
03
成本高
由于压电陶瓷的制备工艺较为复杂，且需要使用一些昂贵的原材料，
相关论文
相关论文1
张三，李四，王五. 不同制备工艺对压电 陶瓷性能的影响[J]. 硅酸盐通报，2021, 40(1): 1-5.
VS
相关论文2
赵雷，孙七，刘八. 高温压电陶瓷的制备 与性能研究[J]. 陶瓷学报，2018, 39(12): 56-61.
相关专利
相关专利1
发明名称：一种高性能压电陶瓷制备方法
包括铁电陶瓷、铁磁陶瓷、多晶压 电陶瓷等。
压电性能表征方法
电滞回线
用于描述压电陶瓷在正弦波电场作用下的响应特性，可反映其压电系数、介电常数、电阻 率等参数。
频率特性
描述压电陶瓷在不同频率下的响应特性，包括介电常数和压电常数随频率的变化情况。
温度特性
研究压电陶瓷在不同温度下的性能表现，包括介电常数、压电常数、机械品质因数和电阻 率等参数随温度的变化情况。
微观结构与性能的关系
晶体结构
压电陶瓷的晶体结构对其压电性能有很大影响。例如，钙钛 矿型压电陶瓷的晶体结构由钙钛矿结构决定，其晶体结构中 的阳离子和氧离子的排列方式会影响其压电性能。
晶格振动
压电陶瓷的晶格振动对其压电性能也有重要影响。在一定温 度范围内，晶格振动会受到热运动的影响而变得无序，导致 压电性能下降。
01
制备工艺流程长
压电陶瓷的制备工艺流程较长，需要经过多个环节和步骤，而且每个
环节都有一定的技术要求和操作难点。
02
制备工艺条件要求高
压电陶瓷的制备工艺条件要求较高，需要严格控制制备过程中的温度
、气氛、时间等因素，否则容易出现产品质量不稳定的问题。
03
成本高
由于压电陶瓷的制备工艺较为复杂，且需要使用一些昂贵的原材料，
相关论文
相关论文1
张三，李四，王五. 不同制备工艺对压电 陶瓷性能的影响[J]. 硅酸盐通报，2021, 40(1): 1-5.
VS
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赵雷，孙七，刘八. 高温压电陶瓷的制备 与性能研究[J]. 陶瓷学报，2018, 39(12): 56-61.
相关专利
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发明名称：一种高性能压电陶瓷制备方法
压电材料最终版资料课件
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 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。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
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。
32
28
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（瓷片20-30um 厚），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。
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 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。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
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。
32
28
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（瓷片20-30um 厚），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。
压电原理及材料PPT课件
压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈 电容有关，电缆长度等因素的影响很小：
q uo Cf
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换 为电压（q/U转换器），但并无放大电荷的作 用，只是一种习惯叫法。
2019/4/4 37
四通道电荷放大器外形
.
2019/4/4
38
上图所示的四通道电荷放大器指标
2019/4/4
实际电荷源
34
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 压电效应产生的电荷量很小，达到pA 级电流。因 此在接成电荷输出型测量电路时，也要求前置放大 器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输 入阻抗。
2019/4/4
35
2019/4/4
电 荷 源 测 量 电 路
（ 电 荷 放 大 器 36 ）
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电路中 工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从 而产生稳定的振荡输出 频率。
• 石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形 排列。 • 定性分析： 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。
2019/4/4
32
第二节 压电传感器的测量转换电路
等效电路： 压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器；
压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。
压电材料、原理、应用精讲(课堂PPT)
C1为压电振子的谐振电容
2021/3/29
20
4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数N。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产 生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤 去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机 械能的现象称为“逆压电效应”。
2021/3/29
8
力
自由电荷
极化方向
+++++++ 极化方向
－－－－－－－
正压电效应 释放电荷
2021/3/29
逆压电效应
2021/3/29
16
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系
的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数
的定义是：
或
K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械能
转换时输入的总电能
K2
通过正压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）
z
生的形变完全相同，所以正负
电荷重心保持重合，电偶极矩 矢量和等于零。
O y
这表明沿z轴方向施加作用力， x 晶体不会产生压电效应。
dz=0
2021/3/29
36
材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
《压电材料》课件
水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度，但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先，将原料放入密封的容器中，加入适量的 水，然后通过具有较高的取向度和 结晶度，但需要高温高压的条件，对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点，旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构，提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力，确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压，提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用，用于检测制动盘的振动和温度，确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测，提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性，可以制作各种 医疗器械，如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性，可以制作各种 军事设备，如声呐、引信等。
压电陶瓷ppt课件
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制
材料物理压电ppt课件
石英晶体
以压电晶体为例，压电效应是由于单晶受外应力时其内部晶格结构 变形，使原来宏观表现的电中性状态（正负电荷中心重合）被破坏而产 生电极化。
① 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20℃至200 ℃温度范围内，温度每升高1 ℃，压电系数仅减少
0.016%，当温度达到573 ℃时（居里点），石英晶体丧失压电特性。 ② 各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。
｝电能
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
二 压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
正压电效应 逆压电效应
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之
间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的 反映。机电耦合系数的定义是：
的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电
荷，则有以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电 极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应 力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换
为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应 变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反 映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
以压电晶体为例，压电效应是由于单晶受外应力时其内部晶格结构 变形，使原来宏观表现的电中性状态（正负电荷中心重合）被破坏而产 生电极化。
① 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20℃至200 ℃温度范围内，温度每升高1 ℃，压电系数仅减少
0.016%，当温度达到573 ℃时（居里点），石英晶体丧失压电特性。 ② 各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。
｝电能
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
二 压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
正压电效应 逆压电效应
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之
间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的 反映。机电耦合系数的定义是：
的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电
荷，则有以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电 极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应 力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换
为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应 变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反 映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
压电材料ppt课件
干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外
探测。
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
可编辑课件PPT
9
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
应用
分类
正压电效应
将机械力转换为电 能，如点火装置， 拾音器等，是机电 换能器
可编辑课件PPT
11
三 压电材料的应用
（1）点火器工作过程
点火器工作过程分高压产生、放电点 火和点燃可燃气体三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电陶瓷 元件为例，如图5-2所示。当机械力F 作用于圆柱体时，晶体发生畸变，导 致晶体中正负电荷中心偏移，从而在 圆柱体上下表面出现自由电荷大量积 聚，产生高压输出。 放电点火——把压电陶瓷元件放 在一个闭合回路中，并留一个适当间 隙，当电压升高到该间隙的放电电压 时，间隙中就产生放电火花。
6
二 压电效应
压电效应的物理机制：
（1）石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外
力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中
性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现
剩余电电荷而产生的。
x
x Fx
x
Fy
Fy
y
P1
y
P1
y
P1
P2
P3
P2 P3
P2 P3
不受力
可编辑课件PPT
2
一 认识压电材料
压电材料是一种能够将机械能和电能互 相转换的功能材料，属于无机非金属材 料。这是一种具有压电效应的材料。
1880年 居里兄弟 首先发现电气石的压电效 应，从此开始了压电学的历史。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺PPT课件
2.超声发生器；
3.换能器声学系统；
1
4.焊件；
5.工作台
4
5
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷超声波焊接
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷加湿器
雾气出口 水箱
雾 水 压电振子
风机
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷加湿器
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷变压器（升压型）
w 输入端 t
极化方向
驱动部分
极化方向
l/2
发电部分
振动方向
t
存 贮
存贮
光信息存贮器，光记忆器
显示
铁电显示器，声光显示器等
其它 非线性元件 压电继电器等
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷泵
进口
压电陶瓷 换能器
阀 出口
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷喷墨打印
金属片
压电陶瓷 换能器
圆锥形容器 内液层
外墨水池
输入信号
喷嘴 金属膜
墨水
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷超声波焊接
2
3
1.焊接程序控制器；
压电陶瓷压电原理、 应用与制作工艺
湖北大学材料科学与工程学院 压电陶瓷技术研究所 周桃生
内容
➢压电陶瓷的压电原理
➢压电陶瓷的用途
➢压电陶瓷的制作工艺
• 配料 • 预烧 • 混合和粉碎 • 成型与排塑 • 烧结 • 极化
压电陶瓷的压电原理
•压电现象与压电效应
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
X-Y运动台（直线USM） X-Y运动台（旋转USM） 行波型杆式USM 模态转换型USM 方板型直线USM 用于二元机翼模型试验
《压电材料》PPT课件
• 4. Cellular response to electrical
• stimulation
• 5. Piezoelectric materials in tissue
• regeneration applications
• 6. Conclusion
h
5
1. Introduction
Piezoelectric materials are smart materials that can generate electrical activity in response to minute deformations. First discovered by Pierre and Jacques Curie in 1880, deformation results in the asymmetric shift of ions or charges in piezoelectric materials, which induces a change in the electric polarization, and thus electricity is generated.
1、压电现象
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。压电现象主 要发现在晶体分子排列不对称的材料上。
2、压电效应
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（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。
The piezoelectricity of such tissues is attributed to the
压电陶瓷的压电原理及制作工艺PPT课件
压电陶瓷的制作工艺
•配料（原料的选择和处理）
(3) 稳定性与活泼性
稳定性是指未进行固相反应前原料本身的 稳定性。如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用， 在空气中不易保存，不稳定。如Na、Ca、Ba、 Sr、Mg的氧化物，不宜采用。宜采用与水不起 作用、稳定的、加热又能分解出活泼性大的新鲜 氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、 SrCO3、BaCO3、MgCO3等。
压电陶瓷的压电原理
•压电效应的再理解
逆压电效应示意图
在瓷片上施加 与极化方向相同电 场。极化强度增大， 瓷片发生伸长形变。 反之则发生缩短形 变。这种由电能转 变为机械能的现象， 称为逆压电效应。
压电陶瓷的用途
应用领域
举例
电源
压电变压器
雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管， 激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置
X-Y运动台（直线USM） X-Y运动台（旋转USM） 行波型杆式USM 模态转换型USM 方板型直线USM 用于二元机翼模型试验
便携式汽油发动机
云台控制系统
移动机器人
关节机器手
核磁共振注射器
南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷驱动器
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷驱动器
压电陶瓷的用途
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
压电陶瓷因受力 形变而产生电的 效应，称为正压 电效应。
压电陶瓷的压电原理
•压电现象与压电效应
节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂 鸣器
压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称 为逆压电效应。
压电陶瓷的压电原理
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第五章 压电传感器
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英 时发现的。
在测量中，被测动态力和动态压力通过压 电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测 量转换电路转换为输出电压。压电传感器是 属于自发电型传感器。
小实验
在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用 榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间， 发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产 生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效 应。
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电材料的特性：
（1）压电系数：是衡量材料压电效应强弱的参.
2
第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。
压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数（例如重量）的测量。
压电陶瓷的极化过程
03.02.2021
.
21
压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。 ➢ 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据 需要制成薄膜或电缆套管等形状。 ➢ 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； ➢ 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
03.02.2021
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15
qx =d11Fx
由上述公式我们看到：
电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即
qx与Fx成正比 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
03.02.2021
Ux
qx Cx
d11Fx C. x
16
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
qy=d12(L/a)Fy 式中，
d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11；
qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
03.02.2021
.
17
qy=d12(L/a)Fy
由上述公式我们看到： 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与 晶体切片的尺寸有关；
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类： 一类是压电晶体（如上述的石 英晶体）； 另一类是经过极化处理的压 电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
03.02.2021
.
14
晶 体 受 到 x 方 向 的 压 力 Fx 作 用，晶片将产生厚度变形，并
发生极化现象；
在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx 与作用力Fx成正比，即
式中，
qx =d11Fx
d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。
石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边 形排列。
定性分析：
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。
压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传 感器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。
压电效应最贴近生活的应用：
燃气灶与打火机
03.02.2021
.
4
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀 具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时， 晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的
力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。
还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会 产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随 之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦 煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙 丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这 个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振 动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成 电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发 出声音。
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
03.02.2021
.
6
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风 生细响语喁喁”。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当动 态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而 很快泄漏、消失。
沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所 产生的电荷极性是相反的。
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18
当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿 x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z 轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压 电效应，即d13=0
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英 时发现的。
在测量中，被测动态力和动态压力通过压 电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测 量转换电路转换为输出电压。压电传感器是 属于自发电型传感器。
小实验
在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用 榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间， 发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产 生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效 应。
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电材料的特性：
（1）压电系数：是衡量材料压电效应强弱的参.
2
第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。
压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数（例如重量）的测量。
压电陶瓷的极化过程
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压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。 ➢ 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据 需要制成薄膜或电缆套管等形状。 ➢ 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； ➢ 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
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qx =d11Fx
由上述公式我们看到：
电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即
qx与Fx成正比 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
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Ux
qx Cx
d11Fx C. x
16
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
qy=d12(L/a)Fy 式中，
d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11；
qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
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qy=d12(L/a)Fy
由上述公式我们看到： 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与 晶体切片的尺寸有关；
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类： 一类是压电晶体（如上述的石 英晶体）； 另一类是经过极化处理的压 电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
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晶 体 受 到 x 方 向 的 压 力 Fx 作 用，晶片将产生厚度变形，并
发生极化现象；
在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx 与作用力Fx成正比，即
式中，
qx =d11Fx
d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。
石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边 形排列。
定性分析：
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。
压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传 感器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。
压电效应最贴近生活的应用：
燃气灶与打火机
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀 具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时， 晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的
力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。
还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会 产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随 之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦 煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙 丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这 个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振 动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成 电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发 出声音。
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
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清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风 生细响语喁喁”。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当动 态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而 很快泄漏、消失。
沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所 产生的电荷极性是相反的。
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当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿 x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z 轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压 电效应，即d13=0
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。