压电材料PPT课件

.
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。
1940年以前 铁电体
.
3
一 认识压电材料
1942年 在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电压性。飞 跃。但与两类铁电体相比也有缺点。
50年代 美国日本先后 利用BaTiO3压电陶瓷制作超声 换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用 研究。
1955美国B.Jaffe 等人更优越的PZT压电陶瓷，促使压 电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
电子点火器 压电谐振器 蜂鸣器 压电传感器 压电陶瓷探头 滤波器 变压器 喇叭 压电马达
点燃可燃气体
.
12
三 压电材料的应用
（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， 利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部 分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力 ，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃 气体。
（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
Fx
图 2 石英晶体压电模型
.
7
后来 PLZT透明压电陶瓷使压电陶瓷的应用扩展到光学 领域。
迄今 压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活 极其广泛。
.
4
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）
.
13
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。
.
14
三 压电材料的应用
.
15
三 压电材料的应用
逆压电效应的应用：
压电陶瓷风扇
利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇， 具有体积小，不会发热，无嘈声、低功耗、寿命长等优点。图 1是一个压电陶瓷弯曲变形器，它由两片压电陶瓷片夹一金属 薄片构成，陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动。若两片陶瓷 片加反向电压，则一边收缩另一边伸长，使金属片弯曲变形， 若外加交变电压，金属片将作周期性振动 。
压电陶瓷风扇是由两个弯曲变形器组成，如图2，接通交流 电源后，两叶片就按箭头方向做往复振动、产生的风量可达 0.42立方米/分钟。
.
16
三 压电材料的应用
.
17
压电材料的广泛应用
压电陶瓷 风扇
压电振动 加速计
压电陶 瓷继电 器
压电 点火器
压电式 触屏
压电陶瓷
.
18
压电材料的广泛应用
打火机、热水器 报警器、电话 笔迹和声音等身份验证 医用超声仪、声纳 电视机、手机 数码相机、摄像机：
.
5
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。
.
6
二 压电效应
压电效应的物理机制：
.
逆压电效应
主要用于压电 蜂鸣器，如音 乐贺卡、门铃 和扬声器等
10
三 压电材料的应用
正压电效应的应用：
压电陶瓷点火器
这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧 物的装置，是机电换能器。1958年开创利用钛 酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应进行点火， 但这种材料着火率不高，噪音大，1962年开始 试用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷制作点火器， 这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以及 军事方面，用以点燃气体和各类炸药和火箭的 引燃引爆。
压电材料
.
1
压电材料
一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的应用
.
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。
1881年 居里兄弟 实验验证了逆压电效应，给 出石英相同的正逆压电常数。
二 压电效应
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。
自由电电荷极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
.
8
二 压电效应
⑶ 两种压电材料的特点
石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，
无热释电现象。但压电常数小，成本高。
Hale Waihona Puke Baidu
压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，
稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热
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
.
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