第三章-压电材料-讲稿
压电材料介绍课件

PCMP
人工材料
人造晶体 正磷酸镓 Gallium orthophosphate (GaPO4) 硅酸锰锑铁矿Langasite (La3Ga5SiO14) 人造陶瓷 钛酸钡 Barium titanate (BaTiO3) 钛酸铅 Lead titanate (PbTiO3) 锆钛酸铅 Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1−x]O3) 铌酸锂 Lithium niobate (LiNbO3) 钽酸锂 Lithium tantalate (LiTaO3) 钨酸钠 Sodium tungstate (Na2WO3)
极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑,它们之间 互有影响,应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。
PCMP
4.2 压电陶瓷的极化工艺
(4)极化程度对性能的影响 压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有 压电性能。 极化就是在直流电场的作用下使铁电畴 沿电场方向取向。 同一配方,如极化条件不同,极化进行 的程度不同,材料的性能指标可以相差很 大。一般随着极化程度的提高,d33、Kp增 加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。 Qm随极化程度的提高而升高。
功能材料
——压电材料
PCMP
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
PCMP
压电材料
1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本概念(什么是压电材料?) 压电材料分类 相关压电参数 压电陶瓷工艺 压电材料实例 压电材料应用
PCMP
压电效应
1. 正压电效应(顺压电效应):某些电介质,当沿着一定方向对其施力而 使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面上产生电荷, 当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时, 电荷极性也随着改变。 2. 逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向施加电场,这 些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去 时,这些变形或应力也随之消失的现象。
第三章-压电材料-讲稿
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➢高分子压电材料:如偏聚氟乙烯(PVDF)(薄膜),这类 材料材质柔韧,可做极薄的组件,需极高的极化电场
3.复合压电材料
这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、 或粉末状压电材料构成的。
二、压电材料的历史
➢早在世纪前,锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质, 当电气石投入热的灰烬当中时,这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几 分钟之后排斥掉它们。
此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性, 表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。
三、压电转换机理
1. 压电单晶的转换机理
晶体存在对称中心,晶体 发生形变后仍保持极化强 度为零,无压电效应。
由于石英晶体不存在对称中 心,当给晶体施加压力时, 产生极化后某一方向出现剩 余偶极矩。
按照晶体的宏观对称性,晶体可分为:七大晶系、32种点 群,其中21种点群没有对称中心,其中20种点群具有压电效 应。
采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器,钛酸钡陶瓷的发现是压电材 料发展的一个飞跃,至此,压电材料形成了两大类:压电单晶材料 及压电陶瓷材料。
1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有优良的压电性后, 聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。
之后,又经过近六十多年的发展,压电材料已经从最初的压电晶 体,发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物 复合材料。
逆压电效应示意图 (实线代表形变前的情况, E 虚线代表形变后的情况)
2021/7/13
------
++++++ 电
极化
场
方向
方
电陶瓷的压电效应
➢压电陶瓷的压电效应,是由于陶瓷内部存在自发极 化,这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向 排列的结果,即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余 极化强度。
压电材料
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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。
压电材料最终版资料课件
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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。
【推选】压电材料PPT资料
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指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结, 如发现有障碍,则及时采取一定措施,避免发生碰撞;
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。
由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶 这类材料及其材质柔韧,低密度,低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目,且发展十分迅速,水声超声测量,压力传感,引燃
压电材料
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材料分类: 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。
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1、无机压电材料 压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。
具有压电性的陶瓷称压电陶瓷,实际上也是铁电陶瓷 压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。
压电材料
压电驱动器: 压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或 机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基 础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚 合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控 制、微位移产生系统等。
压电材料
压电式压力传感器:利用压电材料所具有的压电效 应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图 所示。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接 时要特别注意,避免漏电。压电式压力传感器的优点 是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积 小,结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特 殊电缆,在受到突然振动或过大压力时,自我恢复较 慢。
THANK YOU
由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意,避免漏电。
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最新压电材料的研究发展ppt课件
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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。
目录
一:压电材料分类 二:压电材料简要发展历史 三:压电材料的功能应用和实际应用 四:压电陶瓷—信息时代的新型材料 五:目前国内外压电材料的开发和研究热
点
二:压电材料简要发展历史
1,1880 年,居里兄弟发现了石英晶体存 在压电效应后使得压电学成为现代科学与 技术的一个新兴领域。
近年来,人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研 磨研究,并制作了一些高频换能器、微致动器 及薄型蜂鸣器(瓷片20 ~ 30μm 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。
7 无铅压电陶瓷
目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷。 近年来,随着环境保护和人类社会可持续发展 的要求,发展环境协调性材料(绿色材料)及 技术是材料发展的趋势之一。
目前对BaTiO3、钛酸铋钠(BNT)、铋层状结 构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了 大量的研究和开发工作。
第三章 压电、热释电与铁电材料
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d ni : 压电应变系数 enj : 压电应力系数
d ni= d mj ;
enj=emj
T
LOGO
[ ij ] d
d11 d12 d 21 d 22 d 31 d 32 d11 - d11 0 0 0 0
d13 d14
d15
d 23 d 24 d 25 d 33 d 34 d 35 0 d14 0 0 0 - d14
出引线, 封装于金属壳内。
LOGO
为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频 率稳定度呢?这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明, 当石英晶体受到交变电场作用时, 即在两极板上加以交流电压,石英晶体便会产生机械振 动。 反过来,若对石英晶体施加周期性机械力, 使其发 生振动, 则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的
器上便可作为选频环节应用。
图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。
L
图 7.13石英晶体的符号和
C0 C R
等效电路 (a) 符号; (b) 等效电路
(a)
(b)
LOGO
X
感性
0
fs
fp
f
容性
容性
图7.14 石英晶体的电抗—频率特性
LOGO
图7.14为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。 由图7.14可知, 它具有两个谐振频率, 一个是L、 C、 R支 路发生串联谐振时的串联谐振频率fs, 另一个是L、 C、
T
SE
C S
T D E
逆压电效应:T - [ e ] E
T
D S T
压电材料最终版资料

四、压电材料的发展现状
• 细晶粒压电陶瓷 • PbTiO3系压电材料
• 压电陶瓷-高聚物复合材料
• 压电性特异的多元单晶压电体
细晶粒压电陶瓷 • 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的 多畴晶粒组成的多晶材料,。减小粒径至 亚微米级,可以改进材料的加工性,可将 基片做地更薄,可提高阵列频率,降低换 能器阵列的损耗,提高器件的机械强度, 减小多层器件每层的厚度,从而降低驱动 电压,这对提高叠层变压器、制动器都是 有益的。减小粒径有好处,但同时也带来 了降低压电效应的影响。
超声波传感器
2.压电驱动器
• 压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变 为机械能或机械运动,聚合物驱动器主要 以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向 效应和纵向效应两种方式。
3.传感器上的应用
• 压电式压力传感器
• 压电式加速度传感器
• 压电式压力传感器是利用压电材料所具有的 压电效应所制成的。
压力传感器是我国传感器系统中应用最广的一类传感器,在精密测量、 自动化控制中起着重要的作用,在航天航空、汽车、冶金、化工等领域都得 到广泛的应用。 陶瓷质电容式压力传感器是80年代中期问世的一种新型压力传感器,该 传感器是利用先进的电子陶瓷技术,集成电路技术和厚膜平面安装电路技 术,采用零力学滞后的陶瓷和陶瓷密封材料进行设计的一种干式压力传感器 同以住的压力传感器相比: 1、蠕变小、滞后差、反应速度快; 2、有较强的抗冲击、抗过载能力; 3、精度高,温度漂移小; 4、抗干扰能力强,测量重复性强; 5、耐温、耐腐蚀性也有很大改善。
二、压电材料及其应 用
主要内容
• 压电材料的定义 • 压电材料的分类 • 压电陶瓷的工艺 • 压电材料的应用
• 压电材料的发展现状
《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。
《压电材料》课件

压电材料是一种具有压电效应的功能材料,通过施加压力或电场可以使其产 生电荷分离,具有广泛的应用领域。
压电材料的定义和原理
压电材料是一类具有压电效应的物质,当外界施加力或电场时,会引发内部 正负电荷的分离,从而产生电位差。这一原理被广泛应用于压电传感器和压 电致动器。
压电材料的应用领域
压电传感器
压电传感器将物理压力转化为电信号,广泛应用 于测量和控制系统中,如重力加速度传感器和压 力传感器。
压电致动器
压电致动器通过外界电场施加力,使压电材料发 生形变,用于控制和操作系统,如喷墨打印机和 精密定位系统。
压电材料的发展历程和现状
1
发现压电效应
压电效应于1880年被瑞士学者皮埃尔·居里夫妇首次发现,引起了科学界的极大 关注。
缺点 形状复杂度低,脆性较高 工艺复杂度高,成本较高
设备要求高,成本较高
对压电材料未来发展方向进行讨论
1 新材料研究
研究发现并开发新的压 电材料,以提高性能和 拓展应用领域。
2 纳米技术应用
将纳米技术应用于压电 材料制备和调控,以获 得更好的性能和控制能 力。
3 可持续发展
从环境友好和可持续发 展的角度研究和开发压 电材料。
总结压电材料的应用前景及相关领域的 能源、通 信和电子设备等领域具有广 阔的应用前景,可以提供更 高的性能和功能。
挑战
压电材料的制备和性能提升 仍面临技术挑战,包括成本 控制、稳定性和耐久性等方 面。
机遇
随着科学研究和技术进步, 压电材料的机遇将不断增加, 为各行业提供创新的解决方 案。
2
技术应用
压电材料的应用从传感器和致动器扩展到超声波成像、能量收集和生物医学器械 等领域。
【大学课件】压电材料PPT

ppt课件
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一、电子导电陶瓷
电子导电陶瓷是依靠加热 或以其他方法启动后,产 生自由电子,在外加电场 的作用下,进行导电的一 种陶瓷材料。
电子导电陶瓷不仅是良好 的电热材料,也是磁流体 发电机优先考虑使用的电 极材料。
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二、离子导电陶瓷
离子导电陶瓷是一种像电 解质溶液或电解质熔融体, 具有高离子导电性的固体 陶瓷材料,又称作离子导 体。
=11&f_SUB_ID=3022&f_ART_ID=221675 2009-11-13 新闻速报 中广新闻/陈映竹 /news/newsshow.asp?FDocNo=1510&CL =63 科学人杂志网 撰文╱李名扬
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肆、文献
.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/990 2/9902-10.pdf
科学发展2010年2月,446 苏明德 嘉义大学应用化学系 /mag/campus/storypage.jsp?f_MAIN_ID
此外,半导体陶瓷还可以做成各种电子组件。例 如,钛酸钡陶瓷可以用于定温发热体、温度检测 组件等。
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贰、压电材料新星-环保铁酸铋
目前最好的压电材料是使用钛酸铅(PbTiO3)和 锆酸铅(PbZrO3)混合制成的复合材料,通电时 形变程度最多可达20%,但铅具有毒性,制程相 当麻烦。
交通大学材料科学与工程学系助理教授朱英豪与 国外团队合作,研发出通电后形变程度也可达 20%的无毒单一压电材料「铁酸铋」,这项研究 刊载于2009年11月13日的《科学》。
压电材料

精选ppt
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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。
精选ppt
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三 压电材料的应用
精选ppt
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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 。
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。
精选ppt
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高分子材料:PVDF(聚偏氟乙烯)
1940年以前 铁电体
精选ppt
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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。
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:
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
精选ppt
8
二 压电效应
压电材料概述

压电材料概述班级:稀土10-1姓名:***学号:**********指导老师:***时间:2012-11-30压电材料概述摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因,并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。
关键词压电效应;压电材料;发展历程;发展方向压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
由于压电材料的这一性能,以及制作简单、成本低、换能效率高等优点,压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。
主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器,医学成像等。
1、压电材料与压电效应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。
材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。
下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。
在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。
但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。
如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。
压电材料ppt课件
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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
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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
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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
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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。
《压电材料》PPT课件
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• 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
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2. 压电多晶转换机理(自发极化)
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同,未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷属于 铁电体,人工制造多晶材料,它具有电畴结构在无外电场作 用时,各个电畴在晶体上杂乱分布,它们的极化效应被相互 抵消,因此原始的压电陶瓷内极化强度为零,见图(a)。
① 压电效应:在晶体上施加压力、张力、切向力时, 则发生与应力成比例的介质极化。 ② 热释电效应:具有自发极化,晶体可以因温度变 化而引起晶体表面电荷,这一现象称为热释电效 应 ③ 铁电效应:具有自发极化,且自发极化方向能随 外场改变。它们最显著的特征,宏观的表现就是 具有电滞回线。
热释电效应与铁电效应的区别
二、压电材料的历史
早在世纪前,锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质, 当电气石投入热的灰烬当中时,这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几 分钟之后排斥掉它们。 十八世纪初,荷兰商人将这种电气石引入欧洲,被称为锡兰磁石。 1756年,德国物理学家 Aepinus(电容器发明者)研究电气石产生 电的行为,第一次观测到温度改变引起的电极化现象。 1824 年,苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年,法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。 1880 年,法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性:当重物放在 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。 他们 所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠- NaKC4H4O6.4H2O)。
按照晶体的宏观对称性,晶体可分为:七大晶系、32种点
群,其中21种点群没有对称中心,其中20种点群具有压电效 应。
不具有对 称中心的 晶体(21)
极性晶体 (10)
压电效应
热释电
铁电
32种点群
晶体 非极性晶 体(11)
压电效应 (10种)
具有对称中 心的晶体 (11)
总结:单晶压电效应
单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。
F ----- - +++++
正压电效应示意图 (实线代表无外力情况, 虚线代表加外力的情况)
极化方向 ----- ++++++ 正压电效应示意图 (实线代表形变前的情况,虚线 代表形变后的情况)
同样,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场, 如图,由于电场的方向与极化强度的方向相同,所以电 场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变(图中虚线)。同理,如果外加电场的方向与 极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象,就是逆压电效应。
第三章 压电、热释电 与铁电材料补充内容
电介质材料
电介质:在电场作用下,能建立极化的物质。通常是指电 阻率大于1010 · cm的一类在电场中以感应而并非传导的 方式呈现其电学性能的物质。
电介质材料的主要效应:
压电性-------压电效应
热释电性-----热释电效应 铁电性--------自发极化与铁电体压电材料特性要求:
①转换性能。要求机械能与电能转换效率高。
②机械性能。压电元件作为受力元件,希望它的机械强度 高、刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数,以减弱外部 分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。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。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
1917年 美国贝尔(Bell)实验室的A.M. Nicolson制成压电拾音
器和扬声器,并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。
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。
1919年 用罗息盐制成了电声组件,这为压电材料在通讯技术和频 率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换 能器和声纳等方面获得了应用。
极化面
F
Q
逆压电效应
机械能 压电介质 电能
正压电效应
F
压电效应及可逆性
正压电效应
力→形变→电压
电压→形变
逆压电效应
压电材料分类
1.无机压电材料
压电单晶: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,如水晶(石英晶体)、镓酸锂、 锗酸锂等。水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。
1881年
李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理,
推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在,这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。 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。
两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时, 自发极化偶极矩发生变化,即热释电效应; 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向,此即 铁电效应。
3.1 压电材料
气体喷嘴 高 压 引 线
磷 压 铜 电 片 振 子
压 电 振 子
外 壳
叩 击 机 构
压电蜂鸣器
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
1998 年,美国麻省理工大学科学家 Kymissis 将压电式发电器
装置以不同方式安置入鞋中,收集人行走过程中所丢失的能量。 安置压电冲击式装置在鞋后跟处,同时安装一个 PVDF 材料的薄
板在鞋子的前鞋底处。测试发现压电式冲击机构产生峰值电能为
80mW,PVDF 材料峰值电能达到 20mW,电磁式机构峰值电能 为 20mW。由于外界激励缓慢,PVDF 装置和冲击式压电装置的
主要内容
一、概述
二、研究史
三、基本原理
四、性能参数
五、典型的压电材料 六、应用
一、概述
压电效应:除了电场产生极化外,在某些电介质晶体中,
还可以通过纯粹的机械作用(拉压力、压应力或切应力)
而发生极化,出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与外 力成比例。
压电效应:
正压电效应:
材料受到机械应力处于应变状态时,材料内部会引起电
平均电能都很低,电磁式结构不易实现,安装在鞋子里很困难,
并受步伐影响。 此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性,
表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。
三、压电转换机理
1. 压电单晶的转换机理
晶体存在对称中心,晶体 发生形变后仍保持极化强 度为零,无压电效应。
由于石英晶体不存在对称中 心,当给晶体施加压力时, 产生极化后某一方向出现剩 余偶极矩。
外界的作用(如压力或电场的作用)使该剩余极化 强度发生变化,导致陶瓷出现(充放电或形变)压电 效应。 在陶瓷中产生的放电或充电现象,是通过陶瓷内部 束缚电荷极化强度的变化,引起电极表面上外界自由 电荷的释放或补充。
逆压电效应≠电致伸缩
压电效应产生的应变与电场成正比,当电场反向 时,应变改变符号,即正向电场使试样伸长,反 向电场使试样缩短。 电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比, 当电场反向时,应变不改变符号,即无论正向电 场或反向电场均使试样伸长(缩短)。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长
2017/3/28
剩余伸长 (b)极化处理中 (c)极化处理后
(a)极化处理前
电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法 测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因?
极化后,在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚
电荷,由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自
------
逆压电效应示意图 (实线代表形变前的情况, 虚线代表形变后的情况)
2017/3/28
E
++++++ 极化 方向 ------ ++++++
电 场 方 向
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总结:压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷的压电效应,是由于陶瓷内部存在自发极 化,这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向 排列的结果,即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余 极化强度。
利用压电效应,有了一种声-电,电-声转换的 两用器件,可以当话筒用:对压电陶瓷片讲话, 使它受到声波的振动而发生前后弯曲,当然人的 眼睛分辨不出这种弯曲,在压电陶瓷片的两电极 就会有音频电压输出。 相反地,把一定的音频电压加在压电陶瓷片的 两极,由于音频电压的极性和大小不断变化,压 电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动,推动空气形 成声音,这时候,它又成了喇叭。
极化,其值与应力的大小成比例,其符号取决于应力的 方向。
逆压电效应:
逆压电效应则与正压电效应相反,当材料在电场的作用
下发生电极化时,则会产生应变,其应变值与所加电场
的强度成正比,其符号取决于电场的方向。
有正压电效应的晶体必然有逆压电效应,正压电常数数
与逆压电常数必然相等,且一一对应。
能量的转换
早在 1984 年,美国科学家将 PVDF 薄片安置在生物体上,以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础,将生物体 运动时产生的能量转换为电能,驱动外部设备。压电式发电器装 置固定在狗肋骨上,利用狗的自然呼吸可产生 18V 电压,能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状,同时设计更适合贴在动物 肋骨上的辅助设备,最终测试发现输出能量能够达到1mW。 1996 年,英国科学家试验分析发现发电器装置内部的压电陶瓷发 电总量与其变形频率的立方成正比。此发电器装置,在 70Hz 的振动 频 率 下 产 生 1uW 的 能 量 , 在 振 动 激 励 为 330Hz 的 情 况 下 产 生 0.1mW 能量。