压电高分子-2009

压电起搏器
把心音(振动)转换成电信号的装臵就是心音 传感器。
一般用听诊器检测心音,这种听诊方法虽然 简单易行,但得不到客观记录结果。目前,普 遍记录心音的方法是用心音传感器拾取并经 过电路处理得到。
心音有以下几个特性: (1)心音的响度，即心音的强弱，同样是由 心音的振幅大小所决定，振幅大心音响 (强),振幅小则心音轻(弱)。 (2)心音的频率反应为音调的高低,心音的 频谱约为(1～1000)Hz之间，一般将120Hz 以上划为高频，(120～80)Hz之间为中频， (30～80)Hz之间为低频。
受到压力作用时会在两端面间出现电压 的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石 英晶体上，晶体某些表面会产生电荷， 电荷量与压力成比例。这一现象被称为 压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆 压电效应，即在外电场作用下压电体会 产生形变。
压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它 以某些电介质（例如石英晶体或压电陶瓷、高分 子材料）的压电效应为基础而工作的。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。压电传感元件是力敏感元件，它可 以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如 动态力、动态压力、振动加速度等。 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面 产生的电荷Q与所施加的力F成正比。当施加的是 正向压力时（图中从上到下的力），上下表面产 生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹， 产生上负下正的电荷。
用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱 取代普通的火石，可以制成一种可连续打 火几万次的气体电子打火机。
近期文献报道了压电高分子用于飞机等大 型构件的无损检测。 对于在孤立的极限条件下使用的航天飞机、 人造卫星等设备上的大型复合材料构件,常 规的无损检测是难以直接进行实时监测的, 因微小龟裂的积累而造成灾难性事故时有 发生。由江草茂则等研究的压电薄膜引起 了人们极大的关注。
PVDF的主要优点：
①压电系数d比石英高十多倍，虽比锆钛酸铅(PZT)材 料低，但作为传感材料更重要的一个特征参数g的值比PZT 高20倍左右； ②柔性和加工性能好，可制成5um到1mm不同厚度、形 状各异的大面积有挠性的膜，因此适于做大面积的传感阵 列器件； ③声阻抗与水及人体肌肉的很接近，因此在用作水听 器和医用仪器的传感元件时，可不用阻抗变换器； ④频响宽，室温下在10-5Hz~5×108Hz范围内响应平 坦； ⑤化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性低，有良好的热 稳定性。
心音传感器传感原理
心音由声源-心脏传至胸壁，要经过许多 中间介质，如心肌、肺脏和胸壁的肌肉、 脂肪和骨骼等，由于这些中间介质的密 度、弹性和频率等不同，故声波传导速 度的快慢,反射的大小不一。因此心音的 传导比一般声音在单一介质(如空气)中 传导要复杂一些。
心音传感器工作原理与结构设计
工作原理基于PVDF压电膜的正压电效应,当 受到外力作用时,薄膜产生应变,使内部电荷 发生相对移动,这样,在相对的两个面上将要 感生出一个极性相反的面电荷,通常可以通 过测量在两个面上的电荷间的电压来测量所 产生的面电荷的大小,从而反应出心音的强 弱。
在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺， 是在太空中飞行的航天器、人造卫星的 “舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才 能保证其既定的方位和航线。 传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏 度也低，不能很好满足航天器和卫星系统 的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高， 可靠性好。
利用它的声阻抗与 水的声阻抗很接近 的特性，可以做成 探测水下物体的传 感器；利用其柔软、 灵敏度高的特性， 可以做大面积的传 感器阵列器件，如 人造皮肤等。
压电传感器在煤气灶电子点火器上的应用
煤气灶电子点火装臵如图所示。当按下手 动凸轮开关1时，把气阀6打开，同时凸轮 凸出部分推动冲击钻2，使得弹簧3被冲击 钻2向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击钻 时，由于弹簧弹力作用，冲击钻猛烈撞击 陶瓷压电组件4，产生压电效应，从而在正 负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过 高压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气 被点燃。
压电性是机械能与电能互相转换的一种性 质，最早的压电材料都是无机材料。 从20世纪20年代起，才开始研究高分子压 电体。 1969年日本化学家河合辙发现经拉伸和极 化后的聚偏二氟乙烯薄膜（PVDF） 有强压电性，后来又发现了偏氟乙烯-四 氟乙烯共聚物的压电性。
自从发现聚偏二氟乙烯压电高分子以来, 具有大的压电效应的压电高分子相继问世。
由于外力作用在压电元件上产生的电荷只 有在无泄漏的情况下才能保存，这实际上 是不可能的，因此压电式传感器不能用于 静态测量。压电元件在交变力的作用下， 电荷可以不断补充，可以供给测量回路以 一定的电流，故只适用于动态测量。图中 当力恒定地施加在压电材料上时，电荷逐 渐消失，这表示明压电材料不能用于测量 物体重量之类的物理量。
这种压电薄膜系以 钛酸铅、锆酸铅 作为压电材料和双酚A型环氧树脂配成涂料 涂于复合材料表层固化而成。研究结果表 明,将含有53%锆酸铅的涂料涂于宽30mm、 长500mm、厚3mm的铝制悬臂梁表面制成的 压电薄膜的压电常数达9.0(mc/m2)/(m/m), 作为大型复合材料一体化的振动传感器是 很有前途的。
压电效应的机理是：具有压电性的晶 体对称性较低，当受到外力作用发生 形变时，晶胞中正负离子的相对位移 使正负电荷中心不再重合，导致晶体 发生宏观极化，而晶体表面电荷面密 度等于极化强度在表面法向上的投影， 所以压电材料受压力作用形变时两端 面会出现异号电荷。反之，压电材料 在电场中发生极化时，会因电荷中心 的位移导致材料变形。
利用压电材料的这些特性可实现机械振动 （声波）和交流电的互相转换。因而压电 材料广泛用于传感器元件中，例如地震传 感器，力、速度和加速度的测量元件以及 电声传感器等。 1942年，第一个压电材料--钛酸钡先后在 美国、前苏联和日本制成。
1947年，钛酸钡拾音器--第一个压电陶瓷器件诞 生了。 50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶 瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的 发展进入了新的阶段。 60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。 如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷， 以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也 都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成 本低廉，应用广泛。
石英晶体是一种 应用广泛的压电晶体。 它是二氧化硅单晶， 属于六角晶系。右图 是天然石英晶体的外 形图，它为规则的六 角棱柱体。石英晶体 有三个晶轴：Z轴又称 光轴，它与晶体的纵 轴线方向一致；X轴又 称电轴，它通过六面 体相对的两个棱线并 垂直于光轴；y轴又称 机械轴，它垂直于两 个相对的晶柱棱面。
目前已实用化的还有聚偏二氟乙烯共三氟 乙烯、聚偏二氟乙烯共四氟乙烯、聚丙烯 腈共醋酸乙烯等。
这种新型压电材料具有易加工、易薄膜化、 质轻柔软等特性,应用于复合材料的无损 检测正显示出无穷的魅力。
最为广泛使用的高分子压电材料聚偏 二氟乙烯PVDF。
PVDF特性 聚偏二氟乙烯PVDF是一种新型的高分 子压电材料，与无机的压电和热电材料相 比，具有很多优点，因而广泛地应用于压 力、加速度、温度、声和无损检测等方面， 尤其在生物医学领域中获得广泛地应用。
压电薄膜型心音传感器
在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体 的检查部位，通电后发出超声波，传到人 体碰到人体的组织后产生回波，然后把这 回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便 能了解人体内部状况。
在众多传感器中，医用传感器是重要 的一类，医用传感器是一种测量装臵,它能 把人体中某些物理化学信息转换成与之对 应的电信息，从而提供表征人体生理状态 的可靠依据。
压电高分子材料的应用
新型压电传感器 压电薄膜型心音传感器 压电材料在土木工程结构中的应用
新型压电传感器
利用压电材料将外力转换成电能的特 性，可以制造出压电点火器、移动X 光电源、炮弹引爆装臵。
利用它的拉伸或弯曲压电效应， 可以做成扬声器、耳机和微音器
压电点火器
声音是由机械振动在空气中的传播而产生 的，振动越强，声音就越大。人们说话、 唱歌可以通过话筒（麦克风）把机械振动 转换成声波电信号。为什么麦克风能把机 械振动转换成声波电信号呢？这里应用了 “压电效应”的原理，压电效应就是有一 种器件，在外加的机械力作用下会产生电 信号，麦克风产生的这种电信号是连续变 化的，人们把它称为“模拟”信号。
压电特性——当物体受到一个应力时，在 材料上诱导产生电荷Ｑ。 压电材料——能够将机械能和电能互相转 换的功能材料。
1.概述
1880年，法国物理学家P. 居里和J.居
里兄弟发现了"压电效应"。
1859年5月15日出生在巴 黎的一个医生的家庭里， 16岁入巴黎大学理学院， 毕业后任该校实验室助 理。 1880年曾与其兄长雅克 斯· 居里（Jacques Curie， 1855-1941）一起，发现 了压电效应。
压 电 材料
（pBiblioteka Baiduezoelectric material)
2007.5
1. 概述 2.应用
piezoelectric material
有三种：压电晶体，压电陶瓷，有机压电材料。 压电晶体最有代表性的就是石英晶体，绝缘好， 机械强度大，居里点高，但压电系数小，所以只 用作校准用的标准传感器，或是要求精度很高的 传感器。 压电陶瓷应用范围很广，灵敏度好，但相对石英 晶体则机械强度低，居里点低。 有机压电材料通常都是高分子材料构成的，压电 系数高，灵敏度高，多用于医学等高精尖科学。
利用它的声阻抗 与人体组织的声 阻抗十分接近的 特性，可以做成 脉搏计、血压计、 起搏器和胎心探 测器等。
在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它 可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏。还有 电视机里的变压器--电压陶瓷变压器，它体积变 小、重量减轻，效率可达60%～80%，能耐住3万伏 的高压，使电压保持稳定，完全消除了电视图象 模糊变形的缺陷。 现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压 器。一只15英寸的显像管，使用75毫米长的压电 陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、 重量减轻了。
在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的 声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清 扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资 源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形 地貌等。 在这种声纳系统中，有一双明亮的"眼睛"--压电 陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号 碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信 号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就 发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器 的最佳材料之一。
人工合成的压电材料 酒石酸钾钠（又称罗谢耳盐）、 人工石英、碘酸锂、铌酸锂、 氧化锌、高分子压电薄膜 以及压电陶瓷等。 20世纪80年代，应用最广的是锆钛酸 铅二元系压电陶瓷。
居里（Curie） 夫妇正在做化学 实验
正压电效应——受到机械压力时，都 会产生压缩或伸长等形状变化，引起 介质表面带电。 逆压电效应——施加激励电场，介质 将产生机械变形。
在飞机表面涂一层仅0.1mm厚的聚偏维尼纶 高分子,当机体出现裂纹时,高分子被拉伸 而稍有变形,产生电荷,因裂纹愈深,产生的 电压愈高,通过对电压的大小进行分析,就 可以检测出裂纹的大小及位臵,并且这种压 电高分子产生的电荷不会消失,具有记忆效 应,可随时诊断机体的健全性。利用这种灵 巧的高分子传感器可减少飞机失事。
结构传感器的结构如 图。铝合金外壳上开 一口,心音波振动通过 该孔进入,作用在PVDF 压电膜上(其上是不透 明的保护膜),引起薄 膜振动,由于压电膜的 输出阻抗很高,这样高 的阻抗是不能直接与 音频放大器相匹配的, 所以在传感器内接入 阻抗变换器。
传感器参数如下:PVDF膜厚33μm,压电常数 D=-30pC/N。其检测装臵的系统方框图