压电材料的应用

压电材料的应用

专业：材料科学与工程

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班级：1019001

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摘要：本文阐述了各种新型压电材料的性能和各种特性的应用。从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。

关键词:压电材料压电效应压电陶瓷材料压电复合材料高居里温度压电陶瓷制备技术; 研究现状; 应用

压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、电话要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等。压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。压电材料还可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。

压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。

1880 年居里兄弟发现了压电效应，从而开创了压电学的历史。但是压电材料真正获得广泛的应用还是在1955 年发现压电陶瓷之后。压电器件最早采用的材料是石英晶体，接着是BaTiO3、Pb（Zr，Ti）O3 等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前压电材料主要研究热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料以及高居里温度压电材料，细晶粒压电陶瓷，无铅压电陶瓷材料等。

(一)压电陶瓷

20 世纪40 年代发现了BaTiO3 压电陶瓷, 并于1947 年制成器件, 这对压电材料的发展具有重要的意义[ 6] 。50 年代初出现了钛锆酸铅系( PZT) , 其性能远远优于BaTiO3, 后来又出现了PLZT 透明铁电陶瓷。压电陶瓷大多是ABO3 型化合物( 结构如下图) 或几种ABO3 型化合物的固溶体, 应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆酸铅系( PZT) 陶瓷。钛酸钡陶瓷( BaTiO3) 的晶体属于钙钛矿型( CaTiO3) 结构, 其中氧形成氧八面体, 钛原子位于氧八面体的中心, 钡则处于8 个八面体的间隙。在室温下BaTiO3 是属于四方晶系; 当温度升高到120 e 以上, 四方相转变为立方相, 属于顺电相; 在0 e 附近四方相转变为正交晶系。BaTiO3 具有较好的压电性, 它是在锆钛酸铅陶瓷出现前最为广泛使用的压电材料。但因其居里点不高( 120 e ) 而只能在有限的温度范围内工作。另外在常温下其介电性和压电性也不稳定, 在第二相变点( 0 e ) , 当相变时其介电性

和压电性有显著的改变等缺点。为了改善这一状况,往往在BaTiO3 中加入第二相。最常加入的是CaTiO3 和PbTiO3。加入CaTiO3 不能改变高居里点, 但是可以大大降低第二相变温度, 加入量一般在8% mol 以内, 过多会使压电性能降低。加入PbTiO3 能提高居里点, 同时降低第二相变点, 加入量一般在8% mol 以内, 过

多同样使压电性能变差。因此就出现了以BaTiO3 为基础的BaTiO3- CaTiO3系和BaTiO3 - PbTiO3 系陶瓷等。

(二)压电聚合物

聚偏氟乙烯( PVDF)PVDF: ( CH2CF2 ) n 形成链状化合物,n( > 10000) 为聚合度。从结构分析得知这种材料中晶相和非晶相的体积各约占50%。PVDF 有A、

B、C和D4 种常见的晶型。铁电相只存在于B相中。

(三)奇数尼龙

尼龙11、尼龙9、尼龙7和尼龙5都是由X一氨基酸与偶数基团( - CH2) 2n 形成的聚酰胺。其铁电性源于酰胺基团的电偶极矩, 自熔体淬火并经拉伸后就发生与膜面垂直的自发极化。其压电常量比PVDF 低, 但在室温到150 e 的范围内, 压电常量( 如d31, g31) 将随温度升高而大幅度增大。P( VDF 一TrFE) 共聚物

P(VDF ) TrFE ) 共聚物是偏氟乙烯( VDF) 和三氟乙烯( TrFE) 的共聚物, 可以看作是PVDF 中的VDF 单体部分被TrFE 单体取代所形成。其铁电性也是源于B相的PVDF, 这种材料更适用于医用超声换能器或压力传感器。

(四)新型压电单晶

近年来, 对新的压电晶体弛豫型铁电单晶铌镁酸铅- 钛酸铅[ ( 1- x) Pb (Mgl/ 3Nb2/ 3) O3 - XPbTiO3],弛豫铁电体( 1- x) Pb( B1B2) O3- xPbTiO3(B1= Mg, Zn, Ni, Fe, Sc, In; B2 = Nb, Ta, W) 是具有复合钙钛矿结构的赝二元固溶体, 随着PbTiO3( 简称PT) 含量的增加, 发生成分诱导的结构相变。20 世纪八十年代初, J. Kuwata 等[ 11] 用助熔剂法生长出了能用于压电性能表征的PZN- PT单晶, 其压电性能已经远远高于PZT 系压电陶瓷。

(五)压电复合材料

压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的, 通常见到的是由压电陶

瓷( 例如PZT, PbTiO3)和聚合物( 例如聚偏氟乙烯或环氧树脂) 组成的两相复

合材料。这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点, 与传统的压电陶瓷( 或与压电单晶)相比, 它具有更好的柔顺性和机械加工性能, 克服了易碎和不易加工的缺点, 且密度Q小, 声速v 低( 声阻抗力Qv 小) , 易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与聚合物压电材料相比, 它具有较高的压电常数和机电耦合系数, 因此灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料所没有的新特性,例如, 当电压材料与磁致伸缩材料组成的复合材料就具有磁电效应。

(六)无铅压电陶瓷

随着环境问题的日益严峻, 人们开始对研究过的材料生产及使用进行重新审视。更新日益恶化的环境以及改变大量消耗不可再生资源的状况迫在眉睫。因此, 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。日本在无铅压电陶瓷的研究和开发上, 论文和专利的数量最多, 在世界上占主导地位。但总体上讲, 无铅压电陶瓷的性能与铅基陶瓷相比, 还存在较大的差距,要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系, 还需进行大量深入的研究工作。最近几年, 钛酸铋钠( Na1/ 2, Bi1/ 2)Ti03( BNT) 系统和含铋层状结构无铅压电陶瓷的研究和开发极为活跃, 它们有可能在某些电子产品中得到实际应用。在我国, 无铅压电陶瓷的研究课题已经列入最新的国家/ 8630计划。