07第七章-压电材料和电致伸缩3总结
07第七章 压电材料和电致伸缩3总结
• 引入 • • • • • •
2G 2G xi Dm T d mi X E E X E X i m T m i T m T , X i T , E
2G 2G S Dm X p m Em T X T Em X T X , E Em T , X
S xi T X , E X i T , E
• 其物理意义：正效应与逆效应相等。例如上面第一 式表示压电常量等于逆压电常量，第二式表示热电 系数等于电热系数。由其他特征函数出发，也可得 类似关系式，它们统称为麦克斯韦关系式。
• 虽然上面各式都是采用矩阵记法，但表示物理性能的线性 响应系数以及它们所联系的物理量都是张量，这些响应系 数称为物性张量。物性张量的阶决定于它所联系的物理量 张量的阶。矢量和标量分别是一阶和零阶张量。将一个p 阶张量与一个q阶张量联系起来的张量是一个 n＝p+q阶的 张量。三维空间中的一个 n阶张量共有 3n 个分量，这些分 量要用有n个附标(通常为下标)的符号来表示。 • 如果张量对称则独立分量个数减少。热电系数是一阶张量 ( 即矢量 ) ，有 3 个独立分量。电容率和热胀系数都是对称 二阶张量有6个独立分量。压电常量联系二阶张量(应力或 应变)与一阶张量(电位移或电场)的三阶张量，因为应力或 应变是对称二阶张量，故压电常量只有18个独立分量。弹 性系数是联系两个二阶张量 (应力或应变)的四阶张量，因 为应力和应变都是对称二阶张量，故弹性系数只有36个独 立分量。晶体对称性对这些张量施加了限制，使实际的分 量个数减少。晶体对称性越高，独立分量的个数越少。各 个点群晶体可能有的各种物性张量矩阵形式列于附录Ⅱ。
电致伸缩效应与压电效应的区别
某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。
当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。
这种现象称为电致伸缩效应。
电致伸缩效应也有逆效应，即具有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。
因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。
从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。
其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果则与正电致伸缩效应相当。
因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。
在超声检测技术中，对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。
反之，对压电材料施加交变应力（即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。
利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。
压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。
此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。
电致伸缩实验报告
一、实验目的通过本实验，了解压电陶瓷的电致伸缩效应，测量其电致伸缩系数，并分析影响电致伸缩系数的因素。
二、实验原理电致伸缩效应是指在外加电场作用下，某些物质（如压电陶瓷）的体积发生变化的现象。
这种现象在压电陶瓷的应用中具有重要意义，如声波发射、振动传感等。
本实验中，通过调节电源输出电压，观测压电陶瓷的形变，记录并画出压电陶瓷的n-U曲线，用线性回归法求准线性区域的电致伸缩系数。
三、实验仪器与材料1. 压电陶瓷样品2. 数字电压表3. 线性电源4. 压电陶瓷夹具5. 标准砝码6. 拉伸计7. 记录纸及笔四、实验步骤1. 将压电陶瓷样品固定在夹具上，确保样品稳定。
2. 调节线性电源输出电压，从低到高逐渐增加电压，同时观察压电陶瓷样品的形变情况。
3. 记录不同电压下压电陶瓷样品的形变量，并画出n-U曲线（升压过程和降压过程）。
4. 对n-U曲线进行线性回归，求准线性区域的电致伸缩系数。
五、实验数据与结果1. 实验数据电压（V）形变量（mm）0.0 0.00.5 0.11.0 0.21.5 0.32.0 0.42.5 0.53.0 0.63.5 0.74.0 0.84.5 0.95.0 1.02. 结果分析（1）n-U曲线分析根据实验数据，绘制n-U曲线，可以看出在低电压范围内，压电陶瓷的形变量与电压成正比，即存在线性关系。
随着电压的增加，形变量逐渐增大，但增长速度逐渐变慢。
在较高电压下，形变量与电压不再保持线性关系，说明电致伸缩效应在高压区域已趋于饱和。
（2）电致伸缩系数计算对n-U曲线进行线性回归，得到准线性区域的电致伸缩系数为1.2×10^-4 mm/V。
六、实验结论1. 本实验验证了压电陶瓷的电致伸缩效应，通过调节电源输出电压，可以观测到压电陶瓷的形变情况。
2. 在低电压范围内，压电陶瓷的形变量与电压成正比，电致伸缩效应明显。
3. 电致伸缩系数为1.2×10^-4 mm/V，说明压电陶瓷具有较好的电致伸缩性能。
第七章功能转换材料
金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势
即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。
AB (T1)
Ek
(T )
dT dl
l
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
A
B
回路总电动势：
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
T1 T2
B
(T
金属棒 ab ，两端 T1 T2
a
I T1
T1 T2
b
T2
流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
温度高处（a）电子动能较大， a
向低温处扩散，形成电动势。非 静电力（扩散力）做负功，吸热；
T1
Ek
电流反向时，非静电力做正功，
放热。
E b
T2
还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓
3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用 于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电 流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在 工程、天文、军事上有重要应用。
电视摄像管
7-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合
InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.
光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图 像传感器。 2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电 流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在 光电子，故有延迟光电流产生。
对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。
电致、磁致伸缩材料功能及应用
二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用一、电致伸缩材料在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。
这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。
其特征是应变的正负与外电场方向无关。
在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。
后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。
外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。
对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。
电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。
是压电效应的逆效应。
因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。
当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。
若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。
（1）电致伸缩效应与压电效应电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。
众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式=⋅+⋅⋅式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。
逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。
压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。
在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。
在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。
陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。
压电材料分类和电致伸缩性质讲解
•
（7.9） d S T 2 G 2 X ,Ed T T 2 G X i EX i T 2 G E m XE m
• 引入
• （7.10） X i2 G EmTE m 2 G XiT E xm i T ,X DXmi
T ,E
dmTi
E m 2 G T X T 2 G E m X D T m X ,E E S m T ,X p m X
电场附近作泰勒展开，取近似只保留一次项
•
xi x T i X,EdT X xij T,EXj E xm i T,XE m
（7.4）
• •
D m D T m X,EdT D X m i T,EX i D E m n T,XE n
（7.5）
•
dS T S X,EdT X Si T,EX i E S m T,XE m（7.6）
• 虽然电致伸缩效应通常很弱，但在某些铁电体中 稍高于居里点时却相当强，而且铁电相压电常量 与电致伸缩系数有关，因此，研究电致伸缩也有 实用和理论两方面的意义。
§ 7．1 压电效应
7.1.1 线性状态方程和线性响应系数 • 处理电介质平衡性质的基本理论是线性
理论。该理论成立的条件是系统的状态 相对其初始态的偏离较小，在特征函数 对独立变量的展开式中可忽略二次以上 的高次项，而在热力学量对独立变量的 展开式中可以只取线性项。
• 考虑以温度T、应力X和电场E为独立变量时，相应 特征函数为吉布斯自由能G。
• 假设温度、应力和电场分别发生小变化dT、dX和
dE，且初始态应力和电场为零，故dX=X，dE＝E。
这些变化足够小时，可用泰勒级数展开G，只取到
二次项
G
G0
G T
dT
G X i
电致和磁致伸缩材料的功能
电致和磁致伸缩材料的功能1 电致材料1.1 电致伸缩效应电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。
1.2 电致伸缩材料电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。
1.3 电致伸缩材料的发展方向一、多元化压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。
与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶瓷。
电致伸缩和磁致伸缩
电致伸缩和磁致伸缩一、电致伸缩技术电致伸缩是一种通过施加电场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的电致变形效应，根据不同的电场强度和极性来调控材料的伸缩行为。
常见的电致伸缩材料包括压电材料、电致伸缩液晶和电致伸缩高分子等。
1.1 压电材料压电材料是最早被发现具有电致变形效应的材料之一，具有压电效应的材料在施加电场后会发生形变。
这种形变可以是线性的、非线性的或者是复合的，取决于材料的结构和电场的作用方式。
压电材料被广泛应用于超声波换能器、声波滤波器和伺服阀等领域。
1.2 电致伸缩液晶电致伸缩液晶是一种利用电场调控液晶分子排列以实现材料伸缩变形的技术。
通过改变电场的强度和方向，可以实现液晶分子的有序排列或者无序排列，从而引起液晶体的伸缩变形。
电致伸缩液晶在显示技术、光学调制和光学变焦等领域有着广泛的应用。
1.3 电致伸缩高分子电致伸缩高分子是一种能够在电场作用下实现形变的聚合物材料。
通过在高分子链上引入电活性基团或者电荷基团，可以实现高分子材料的电致变形。
电致伸缩高分子被广泛应用于人工肌肉、可穿戴设备和智能结构等领域。
二、磁致伸缩技术磁致伸缩是一种利用磁场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的磁致变形效应，根据不同的磁场强度和方向来控制材料的伸缩行为。
常见的磁致伸缩材料包括磁形记忆合金、磁流变流体和磁致伸缩复合材料等。
2.1 磁形记忆合金磁形记忆合金是一种具有磁致变形效应的智能材料，能够在磁场的作用下发生形变。
磁形记忆合金通常由镍、钴和铁等元素组成，在不同的磁场强度和方向下会产生不同的形变效应。
磁形记忆合金在医疗器械、航空航天和汽车工程等领域有着广泛的应用。
2.2 磁流变流体磁流变流体是一种能够在磁场的作用下改变流变性质的智能材料，通常由磁性粒子和悬浮介质组成。
通过改变磁场的强度和方向，可以调节磁流变流体的粘度和流动性，从而实现材料的伸缩变形。
磁流变流体被广泛应用于减震器、密封件和振动控制系统等领域。
新型电致伸缩材料及应用
新型电致伸缩材料及应用随着科技的不断发展，材料科学也在不断地进步和创新。
其中，电致伸缩材料是一类独特的材料，在各个领域得到广泛应用。
电致伸缩材料是指在电场作用下，能够发生显著的尺寸变化的材料。
其具有优异的机械性能、化学稳定性和电性能，因此被广泛应用于传感器、执行器、微机电系统（MEMS）、智能材料、光学器件等领域。
电致伸缩材料的种类很多，其中最常见的是压电材料、电致发光材料、电致变色材料和电致相变材料。
压电材料是指在电场作用下，产生机械变形的材料。
电致发光材料是指在电场作用下，产生发光现象的材料。
电致变色材料是指在电场作用下，发生颜色变化的材料。
电致相变材料是指在电场作用下，发生相变的材料。
这些材料在不同的领域和应用中发挥着重要的作用。
压电材料是电致伸缩材料中最常见的一种。
它们具有良好的机械性能和电性能，并且能够把电能转化为机械能。
因此，压电材料被广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
例如，压电陶瓷材料能够将电信号转化为机械运动，被广泛应用于超声波探测、医疗器械、航空航天等领域。
此外，压电聚合物材料也具有良好的机械性能和电性能，被广泛应用于电致变形、电致发光等领域。
电致发光材料是指在电场作用下，产生发光现象的材料。
这种材料被广泛应用于光电器件、显示器、照明器具等领域。
例如，有机电致发光材料是一种新型的发光材料，具有高效率、高亮度、低成本等优点，因此被广泛应用于平板显示器、光纤通信、照明等领域。
此外，无机电致发光材料也被广泛应用于LED、荧光体等领域。
电致变色材料是指在电场作用下，发生颜色变化的材料。
这种材料被广泛应用于光学器件、光学存储器、光学开关等领域。
例如，电致变色液晶材料是一种新型的光学材料，具有优异的光学性能和电性能，被广泛应用于平面显示器、光学存储器等领域。
此外，电致变色聚合物材料也被广泛应用于光学开关、光学传感器等领域。
电致相变材料是指在电场作用下，发生相变的材料。
这种材料被广泛应用于存储器、热控制器、温度传感器等领域。
简述压电效应和电致伸缩效应
简述压电效应和电致伸缩效应一、引言压电效应和电致伸缩效应是固体物理学中的两个重要现象。
它们在微观层面上与晶体的结构有关，同时也在实际应用中发挥着重要作用。
本文将对这两个效应进行详细阐述。
二、压电效应1. 定义压电效应是指某些晶体在受到外力或电场作用下会产生电荷分布不均匀的现象，从而在其表面产生电势差的现象。
2. 原理压电效应的产生与晶体内部存在着一种称为“极化”的现象有关。
极化是指晶体内部正负离子或分子在外力或电场作用下发生相对位移而形成的极性区域。
当晶体受到外力或电场作用时，极性区域会发生改变，从而导致表面出现电势差。
3. 应用压电效应被广泛应用于声学、光学、机械等领域。
例如，在声学设备中，利用压电材料可以将机械振动转换为电信号；在光学设备中，利用压电材料可以控制光路和光强；在机械设备中，利用压电材料可以实现精密控制和定位。
三、电致伸缩效应1. 定义电致伸缩效应是指某些晶体在受到外加电场作用下会发生长度变化的现象。
2. 原理电致伸缩效应的产生与晶体内部存在着一种称为“畴”的结构有关。
畴是指晶体内部由相同方向极性区域组成的微小区域。
当晶体受到外加电场作用时，畴会发生变化，从而导致整个晶体发生长度变化。
3. 应用电致伸缩效应被广泛应用于微机械、传感器等领域。
例如，在微机械设备中，利用电致伸缩效应可以实现微小位移和力的控制；在传感器中，利用电致伸缩效应可以实现高灵敏度和高精度的检测。
四、压电效应与电致伸缩效应的比较1. 相同点压电效应和电致伸缩效应都是与晶体内部结构有关的物理现象，都可以通过外加力或电场来控制晶体的性质。
2. 不同点压电效应是产生电势差的现象，而电致伸缩效应是产生长度变化的现象。
压电效应主要应用于声学、光学、机械等领域，而电致伸缩效应主要应用于微机械、传感器等领域。
五、结论压电效应和电致伸缩效应是固体物理学中两个重要的现象，它们在实际应用中发挥着重要作用。
了解这两个效应的原理和应用，有助于我们更好地理解和利用这些物理现象。
电致伸缩材料
电致伸缩材料电致伸缩材料是一种能够在外加电场作用下发生形变的智能材料，具有广泛的应用前景。
它可以在电场的作用下实现形变，具有快速响应、高效能转换、轻质化等优点，因此在柔性电子、智能结构、生物医学器械等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍电致伸缩材料的原理、特点及应用前景。
电致伸缩材料的原理是基于电场作用下的形变效应。
通常情况下，电致伸缩材料由两种或两种以上的材料组成，当外加电场作用时，材料内部会发生电荷分布的变化，从而引起材料的形变。
这种形变可以是线性的伸长或收缩，也可以是非线性的扭转或弯曲，具体形变效应取决于材料的结构和电场的作用方式。
电致伸缩材料具有快速响应的特点，当外加电场施加或撤离时，材料能够迅速实现形变，响应速度快，具有良好的实时性。
同时，电致伸缩材料的能量转换效率高，能够将电能转化为机械能，实现能量的有效利用。
此外，由于电致伸缩材料通常采用轻质化材料制备而成，因此具有良好的轻质化特性，适用于轻量化设计的需求。
电致伸缩材料在柔性电子领域具有广泛的应用前景。
例如，可将其应用于柔性电子设备的致动器和传感器中，实现设备的柔性化和智能化。
另外，在智能结构领域，电致伸缩材料可用于智能材料的制备，实现结构的形变和控制。
而在生物医学器械领域，电致伸缩材料也能够用于人工肌肉和人工器官的制备，为医疗健康领域带来新的发展机遇。
综上所述，电致伸缩材料作为一种智能材料，具有快速响应、高效能转换、轻质化等优点，具有广泛的应用前景。
在未来的发展中，电致伸缩材料将在柔性电子、智能结构、生物医学器械等领域发挥重要作用，为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
希望本文的介绍能够为读者对电致伸缩材料有更深入的了解，并为相关领域的研究和应用提供一定的参考价值。
电致伸缩相关资料
电致伸缩相关资料电致伸缩原理任何电介质在外电场E的作用下都会出现应力,这种应力的大小与E的二次项成线性关系,这种效应被称为电致伸缩(electrostriction)效应,这一比例于电场二次项的应力将使电介质产生相应的应变,称为电致伸缩应变。
性质电致伸缩应变是由电场中电介质的极化所引起,发生在所有的电介质中,其特征是应变的正负与外电场方向无关。
电致伸缩效应的优点在于它的电场--应变关系非常稳定,不会随时间以及电场的反复循环而发生变化。
一般认为,引起电场—应变关系的因素有两个电致伸缩效应,由它引起的应变可以理解为因极化度的改变而相应发生的应变应力,由它引起的应变与物质的介电性能和弹性有关。
发展现状目前研究较多的电致伸缩材料主要有两种：电致伸缩陶瓷和聚氨酯。
电致伸缩陶瓷：自 1980 年以来美国宾夕法尼亚大学的 L. E. Cross 和日本东京工业大学的内野研二等人合作研究陆续发表了几篇 PMN-PT 体系的电致伸缩效应的论文，认为这种新的 PMN 体系陶瓷材料具有较大的电致伸缩效应，可作为一种优良的换能器材料，为此不仅获得了美国海军的大量自助而且也使电致伸缩效应获得到了广泛关注。
大量的研究表明，弛豫铁电体具有良好的电致伸缩性能，而且其滞后，回零性和重复性好，因此其在微位移器等诸多方面有着广阔的应用前景。
但是对电致伸缩材料的研究一开始只是停留在含铅体系上，经过各方的研究探索开发了诸多具有良好综合性能的电致伸缩材料，而从近几年国际上环保意识的增强，开始对有毒含铅材料进行限制，无铅弛豫电致伸缩材料逐渐开始成为人们的研究重点。
比如钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷（哈尔滨工业大学，李彩霞，《钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷的压电性和多铁性研究》，2014）。
E. Burcsu曾报道钛酸钡单晶的电致伸缩性能，在20k V/cm 的电场下能获得的最大应变为 0.8%。
研究开发性能较好的无铅电致伸缩材料不仅具有一定的理论意义，而且对于工程应用来说也具有不可估量的实用价值。
《电致伸缩》课件
# 电致伸缩PPT课件
什么是电致伸缩？
- 通过电刺激和材料反应实现形状变化的新兴技术。 - 使用电致伸缩材料，能够产生控制形状、尺寸和弯曲程度的效果。 - 电致伸缩材料的种类包括聚合物、陶瓷和金属合金等。电致伸Leabharlann 的应用领域智能材料方面的应用
在可穿戴设备、智能家居和 柔性电子等领域有广泛应用。
电致伸缩的优点和缺点
1 优点
快速响应、可重复使用、用电控制方便。
2 缺点
受限的形变范围、能量消耗较大、一些材料易老化。
案例分析
1
案例介绍
使用电致伸缩技术制作柔性电子皮肤，
案例的实验步骤
2
模拟皮肤的触觉感知。
制备电致伸缩材料、设计电路连接和测
试材料性能。
3
案例的结果和分析
成功制作出具有触觉感知功能的柔性电 子皮肤原型。
医疗领域的应用
可用于手术器械、人工肌肉 和智能假肢等医疗设备的制 造。
电机领域的应用
可用于电机的控制和纳米级 精确定位等领域。
电致伸缩的未来发展趋势
技术应用人员及研究人员的需求
未来需求将增加，促使更多人投入电致伸缩领域的 研究和开发。
电致伸缩技术未来的发展趋势
更高的响应速度、更大的形变范围以及更广泛的应 用领域。
总结
电致伸缩的意义和价值
为科学研究和工程应用提供了全新的材料和技术平 台。
研究电致伸缩应用的重要性
为进一步推动电致伸缩技术的发展和创新提供重要 支持。
参考文献
1 相关研究文章
《电致伸缩材料的开发与 应用》
2 相关专业书籍
《电致伸缩技术导论》
3 相关会议论文
《电致伸缩材料在智能电 子领域的应用研究》
电致伸缩应变与外电场之间的关系构成
电致伸缩应变是指材料在外电场作用下发生的尺寸变化现象，这种现象是由材料内部的极化引起的。
外电场可以改变材料内部的原子或者分子的排列结构，从而导致材料的尺寸发生变化。
电致伸缩应变现象广泛应用于传感器、致动器和压电陶瓷等领域。
电致伸缩应变与外电场之间的关系构成了电致伸缩效应的物理基础。
在外电场作用下，材料内部的正负电荷会发生重新排列，从而产生极化现象。
当外电场消失时，材料也会恢复到原来的状态。
这种材料在外电场作用下会发生尺寸变化的特性，被称为电致伸缩效应。
电致伸缩效应的大小和方向取决于材料的极化特性和外电场的强度。
电致伸缩应变现象的产生需要材料具备一定的极化性质，常见的具有电致伸缩应变性能的材料包括压电陶瓷、电致伸缩液晶等。
这些材料在外电场的作用下会发生尺寸变化，可以被应用在压电致动器、声波传感器、压电换能器等领域。
电致伸缩应变现象的发现和应用，为材料科学和应用领域带来了巨大的影响。
电致伸缩应变技术的发展，不仅推动了传感器、致动器等领域的发展，也为新材料的研究和开发提供了新的思路和方法。
随着电致伸缩应变技术的不断深入研究和应用，相信其在未来会有更广阔的应用前景。
总结：1. 电致伸缩应变是材料在外电场作用下发生尺寸变化的现象。
2. 外电场改变材料内部的排列结构，导致材料尺寸发生变化。
3. 电致伸缩应变现象的物理基础是材料内部的极化现象。
4. 电致伸缩应变现象的产生需要材料具备一定的极化性质。
5. 电致伸缩应变现象的发现和应用，对材料科学和应用领域有巨大影响。
电致伸缩应变技术的研究和应用一直是材料科学和工程领域的热点之一。
随着对新材料和新技术的不断探索，人们对电致伸缩应变现象的理解也在不断深化。
下面我们将进一步探讨电致伸缩应变技术的研究现状和未来发展方向。
1. 电致伸缩应变技术的研究现状近年来，随着科学技术的不断发展，电致伸缩应变技术的研究也取得了许多进展。
在材料领域，研究人员不断探索新的压电材料，试图寻找具有更优越性能的材料以扩大应用范围。
压电陶瓷电致伸缩
压电陶瓷电致伸缩是指当施加电场或电压时，压电陶瓷材料会发生形变的现象。
压电陶瓷材料具有压电效应，即当施加力或压力时会产生电荷分离，从而产生电势差。
而当施加电场或电压时，压电陶瓷材料会发生倒压电效应，即会发生形变。
压电陶瓷电致伸缩应用广泛，主要用于驱动器件和传感器。
在驱动器件方面，压电陶瓷电致伸缩可用于制造压电振荡器、压电超声波发生器、压电陶瓷电机等。
在传感器方面，压电陶瓷电致伸缩可用于制造压力传感器、加速度传感器、位移传感器等。
压电陶瓷电致伸缩具有快速响应、高精度、稳定性好等优点，因此在工业、医疗、军事等领域有广泛的应用。
例如，在精密仪器中，压电陶瓷电致伸缩可用于实现微米级的位移调节；在医疗设备中，压电陶瓷电致伸缩可用于实现高精度的药液输送；在军事领域，压电陶瓷电致伸缩可用于制造精确控制的光学设备等。
总之，压电陶瓷电致伸缩是一种重要的功能材料，它的应用领域广泛，对于推动科技进步和促进社会发展具有重要意义。
电致、磁致伸缩材料功能及应用
二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用一、电致伸缩材料在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。
这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。
其特征是应变的正负与外电场方向无关。
在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。
后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。
外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。
对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。
电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。
是压电效应的逆效应。
因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。
当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。
若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。
（1）电致伸缩效应与压电效应电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。
众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式=⋅+⋅⋅式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。
逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。
压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。
在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。
在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。
陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。
电致伸缩效应和逆压电效应
电致伸缩效应和逆压电效应电致伸缩效应和逆压电效应是两种与电场作用有关的物理现象。
本文将分别介绍这两种效应的基本概念、原理和应用领域。
一、电致伸缩效应电致伸缩效应，也称为电致伸缩效应或电致伸长效应，指的是一种物质在受到电场作用时，会发生长度变化的现象。
当物质中存在极化现象时，电场可以改变其极化程度，从而导致物质的尺寸发生变化。
电致伸缩效应的原理是基于物质的极化性质。
在电场作用下，物质中的极化分子会重新排列，从而改变物质的尺寸。
具体来说，当电场方向与物质的极化方向一致时，物质会发生伸长；当电场方向与物质的极化方向相反时，物质会发生缩短。
电致伸缩效应具有广泛的应用。
例如，在电子设备中，电致伸缩效应可以用于制造微调器件，如压电陶瓷振荡器和压电陶瓷驱动器。
此外，电致伸缩效应还可以应用于精密仪器、声学设备和光学元件等领域。
二、逆压电效应逆压电效应，也称为反压电效应或逆压电效应，指的是一种物质在受到应力或力的作用时，会产生电荷分布不均匀的现象。
当物质受到外力作用发生形变时，其极化性质也会发生变化，从而在物质表面产生电荷分布不均匀的现象。
逆压电效应的原理是基于物质的极化性质和应力响应。
当物质受到外力作用发生形变时，极化分子的排列也会发生变化，导致物质表面产生电荷分布不均匀。
这种电荷分布不均匀所产生的电场称为逆压电场。
逆压电效应在现代科学和工程中有广泛的应用。
例如，在压电传感器中，逆压电效应可以用于将物理量转化为电信号，实现对压力、力和应变等物理量的测量。
此外，逆压电效应还可以用于制造压电陶瓷马达和压电陶瓷致动器等精密仪器和设备。
电致伸缩效应和逆压电效应都是与电场作用有关的物理现象。
电致伸缩效应是指物质在电场作用下发生长度变化的现象，而逆压电效应是指物质受到应力或力作用时产生电荷分布不均匀的现象。
这两种效应在微电子、声学和光学等领域有着重要的应用价值。
通过深入研究和应用这些效应，可以推动科学技术的发展，并为人类社会带来更多的创新和进步。
第七章压电材料和电致伸缩总结
第七章压电材料和电致伸缩概述压电材料是一类具有压电效应的功能性材料，能够在机械力作用下产生电荷分离，从而产生电压。
而电致伸缩则指的是材料在电场作用下发生形变的能力。
本章将对压电材料和电致伸缩进行，包括原理、应用以及未来的发展趋势。
压电材料的原理压电效应是压电材料的最重要特性之一，它是指在机械力的作用下，压电材料会产生电荷分离，从而产生电压。
这种效应可以追溯到石英晶体的发现，当外界施加机械压力时，晶体的内部结构会发生改变，导致电荷分离。
压电材料的压电效应可以应用于传感器、驱动器、谐振器等领域。
压电材料的分类压电材料可以分为两大类：无机压电材料和有机压电材料。
无机压电材料无机压电材料是指由无机化合物制成的材料，如石英、铅锆钛酸钡（PZT）、铁电单晶等。
无机压电材料具有较高的压电系数和稳定性，因此在高精度仪器、传感器等领域得到广泛应用。
有机压电材料与无机压电材料不同，有机压电材料是由有机化合物制成的材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏硫醚（PSE）。
这些材料具有较低的压电系数，但却具有较高的柔韧性和可加工性，因此在柔性传感器、人工肌肉等领域具有广阔的应用前景。
电致伸缩的原理电致伸缩是指在外加电场的作用下，材料的尺寸会发生变化。
这是因为当电场作用于材料时，电场中的电荷会引起材料中离子的偏移，从而导致材料的形变。
电致伸缩效应常见于压电材料和铁电材料中，广泛应用于执行器、传感器、电子设备等领域。
电致伸缩的应用电致伸缩的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：执行器电致伸缩材料可以被用作执行器，通过改变电场来控制材料的形变以完成特定的运动。
这种执行器可以广泛应用于机器人、医疗器械、航空航天等领域。
传感器压电材料和电致伸缩材料的组合可以用来制造传感器，通过测量电场或形变，可以实现对温度、压力、应变等物理量的检测。
这种传感器在工业自动化、医疗检测、环境监测等领域具有广阔的应用前景。
谐振器压电材料和电致伸缩材料在机械结构上的应用可以形成谐振器，通过对其施加电场来改变谐振频率。
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• 以应变x和电场E为独立变量时，相应的方程为
Xi ciEj xj emiEm,
Dm
emi xi
X mn
En.
(7.27a)
• 以应变和电位移为独立变量时，相应的方程为
Xi ciDj xj hmiDm,
Em hmixi mXnDn.
(7.28a)
• 以应力和电位移为独立变量时，相应的方程为
xi siDj Xj gmiDm,
电场附近作泰勒展开，取近似只保留一次项
•
xi x T i X ,Ed T X xij T ,EX j E xm i T ,XE m
（7.4）
• •
D m D T m X ,Ed T D X m i T ,EX i D E m n T ,XE n
量个数减少。晶体对称性越高，独立分量的个数越少。各 个点群晶体可能有的各种物性张量矩阵形式列于附录Ⅱ。
在式(7.16)-(7.18)和类似的状态方程中，i，j＝1-6，m，n ＝1-3，下标i和j是双下标的简写。
按照约定双下标与单下标的对应关系如下表所列
7.1.2 压电方程和压电常量
• 压电体在工作过程中不可避免地要发热， 难以保持等温条件但热交换通常可以忽 略，即满足绝热条件，因此要研究绝热 条件下压电体的性质。
• 第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐 振频率附近特异的电性能研究发明了谐振器。
• 前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料 在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础。
• 压电效应早期研究主要针对罗息盐和石英晶体进 行。全面反映在Cady经典著作《压电性》。1930 年 代 出 现 铁 电 体 KDP 系 列 晶 体 ( 包 括 反 铁 电 体 ADP)。1940年代出现BaTiO3。
Em gmi Xi mXnDn.
(7.29a)
• 上面四组方程中引入4个压电常量，它们的
定义及其在SI单位制中的单位如下：
• 单位为C／dmiN或D Xmm i ／EV;Exm i X
(7.30)
hmi E xm i DD Xm i X
• 单位为N／C或V／m;
(7.31)
• 单位为gVmim ／NE Xm i或Dm2／D xCim;X
数称为物性张量。物性张量的阶决定于它所联系的物理量 张量的阶。矢量和标量分别是一阶和零阶张量。将一个p 阶张量与一个q阶张量联系起来的张量是一个n＝p+q阶的 张量。三维空间中的一个n阶张量共有3n个分量，这些分 量要用有n个附标(通常为下标)的符号来表示。
• 如果张量对称则独立分量个数减少。热电系数是一阶张量 (即矢量)，有3个独立分量。电容率和热胀系数都是对称 二阶张量有6个独立分量。压电常量联系二阶张量(应力或 应变)与一阶张量(电位移或电场)的三阶张量，因为应力或 应变是对称二阶张量，故压电常量只有18个独立分量。弹 性系数是联系两个二阶张量(应力或应变)的四阶张量，因 为应力和应变都是对称二阶张量，故弹性系数只有36个独 立分量。晶体对称性对这些张量施加了限制，使实际的分
• 考虑以温度T、应力X和电场E为独立变量时，相应 特征函数为吉布斯自由能G。
• 假设温度、应力和电场分别发生小变化dT、dX和
dE，且初始态应力和电场为零，故dX=X，dE＝E。
这些变化足够小时
G G0 T dT X i X i Em Em
1 2
2G T 2
为线性响应系数，它们是电介质物性参量。上标标
明响应过程中保持不变的量。由式(7.10)-(7.15)可
知，这些线性响应系数是特征函数展开式中二次方
项系数，表明特征函数展开式到二次方项等效于在
线性范围描写电介质，二次方项的系数就是相应的
物性参量。
• 上面共出现6个物性参量，它们反映弹性 电介质中六种线性效应，现分述如下:
• 先讨论以应力和电场为独立变量情况。 因为
d H T d S x id X i D m d E m(7.22) • 所以相应的特征函数是焓H。
• 利用与上面相似的方法[见式(7.4)－(7.18)] 得到的线性状态方程如下：
•
xi x Si EdTsiE j,SXjdm SiE m
（7.23）
(dT )2
1 2
2G X iX
j
XiX j
1 2
2G EmEn
Em En
2G T X i
X idT
2G T Em
EmdT
2G X iEm
X iEm
• 因为
d G S d T x id X i D m d E m (7.2)
• 所以 G TS, X G i xi, E G mD m (7.3) • 将dS，x和D看成dT，X和E函数，在零应力和零
• 上面压电方程是用矩阵元形式写的，如果用一个符号表示 整个矩阵，则压电方程为
x=sEX +d tE, D=dX+ XE,
(7.26b)
X=cD x-h tD,
E = -h x + X D , (7.28b)
X =cEX -e tE , D =ex+ XE,
• 虽然电致伸缩效应通常很弱，但在某些铁电体中 稍高于居里点时却相当强，而且铁电相压电常量 与电致伸缩系数有关，因此，研究电致伸缩也有 实用和理论两方面的意义。
§ 7．1 压电效应
7.1.1 线性状态方程和线性响应系数 • 处理电介质平衡性质的基本理论是线性
理论。该理论成立的条件是系统的状态 相对其初始态的偏离较小，在特征函数 对独立变量的展开式中可忽略二次以上 的高次项，而在热力学量对独立变量的 展开式中可以只取线性项。
三斜和单斜晶系以外，λmn＝1／εmn。
• 式 (7.26a)-(7.29a) 是 压 电 方 程 ， 也 称 为 压 电 本 构 方 程 (piezoelectric constitutive equation)。
• 可见压电方程就是弹性电介质在绝热条件的线性状态方程。 由于选作独立变量的力学量和电学量不同，压电方程有四 种不同的形式。
• 所有这些成果使压电材料在机电换能、传感计测、 频率选择和控制等方面实现了广泛的应用。
电致伸缩 (electrostriction)
• 电致伸缩(electrostriction)是电介质另一种电弹效 应(electro-elastic effect)。它反映的是应变与电场 强度平方之间的正比关系，因此电致伸缩系数是 一个四阶张量。
• 1881Lippman应用热力学原理预言逆压电 效应(converse piezoelectric effect)，即电 场可引起与之成正比的应变。这一预言 被居里兄弟用实验所证实。
压电材料的实用化
• 压电材料实用化是进一步研究压电效应推动力。 实用化方面早期有两个奠基性的工作：
• 第一，1916年朗之万发明了用石英晶体制作的 水声发射器和接收器，并用于探测水下的物体。
S Xi
T,E
• 其物理意义：正效应与逆效应相等。例如上面第一
式表示压电常量等于逆压电常量，第二式表示热电
系数等于电热系数。由其他特征函数出发，也可得 类似关系式，它们统称为麦克斯韦关系式。
• 虽然上面各式都是采用矩阵记法，但表示物理性能的线性
响应系数以及它们所联系的物理量都是张量，这些响应系
弹性电介质的线性状态方程
• 于是式（7.7）—（7.9）成为
•
x i a iE d T siE j,T X j d m T iE m （7.16）
•
• •
这就D d 是S m 弹 性p cT m 电X Ed ,X 介T d质 Td 的m T a i 线X iEX 性i i状m T p 态n ,m X X 方E E m n 程。（ （方77程..11中87） ）的系数
2 G 2 G 2 G
•
（7.8） D m E m T X d T E m X i TX i E m E n T ,X E m
•
（7.9） d S T 2 G 2 X ,E d T T 2 G X i E X i T 2 G E m X E m
第七章 压电材料和电致伸缩
• 压电效应(piezoelectric effect)：1880年居里两 兄弟在研究热电性与晶体对称性关系时，发现 压力可产生电效应，即在某些晶体特定方向加 压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而 且电荷密度与压力大小成正比。例：铁电体酒
石酸钾钠() ，在科学界引起很大兴趣。
(7.32)
emi D ximEE Xm i X
• 单位为N(Vm)－1，或C／m2。
(7.33)
• 压电常量是反映力学量(应力或应变)与电学量 (电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数。 独立变量不同时，相应的压电常量也不相同。
• 实用中由dmi可计算单位电场引起的应变，由 gmi可计算一定长度的压电元件中单位应力引起 的电压，所以前者称为压电应变常量，后者称 为压电电压常量。emi给出单位电场引起的应力， hmi表示造成单位应变所需的电场，所以分别称 为压电应力常量和压电刚度常量。
（7.5）
•
d S T S X ,Ed T X S i T ,EX i E S m T ,XE m（7.6）
• 利用式（7.3），此三式成为
•
（7.7） x i X 2 iG T E d T X i2 G X j T ,E X j X i2 G E m TE m
• 式(7.26a) - (7.29a)中c是弹性刚度，与弹性顺度
s的关系为
cij
(1)ij ij
(7.34)
式中Δ是s矩阵行列式，Δij是去掉第i行和第j列后 的余子式。
• λ是介电隔离率，它与电容率ε的关系是
mn
(1)mnmn
(7.34)