压电材料力学性能

• 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。
• 肌肉压电发电系统
• 美国凯斯西储大学生 物医学工程学院路瓦 德斯基等人提出依靠 肌肉的运动来提供动 力的压电发电系统。。 经模拟，该发电机可 以提供690uW的电能。 该机构可用于驱动内 置于人体中的医疗机 械，市场前景广阔。
• 人工耳蜗
• 感音神经性耳聋绝大部分源于 内耳毛细胞的损伤，导致不能 将声信号转换为电信号．然而 声音传入通道保持畅通，而且 听神经的神经纤维仍有相当数 量存活，仅仅是不能进行声电 转换从而导致了病人不能获得 正常听力。为了提高聋耳的听 力，将压电材料植入到耳蜗内， 利用压电效应直接将声波转化 为电信号刺激听神经，以提高 听力。
压电材料的发展
• 第一阶段 ：从发现压电效应之年（ 188O 年）起至第一次世界大战间， 压电效应并未引起人们足够重视，故压电材料实际上尚未进入实用阶 段。 • 第二阶段 ：第一次世界大战（ 1914—l915 ）到第二次世界大战 （ 1940 － 1945 ）期间，受到战争的刺激，人们才真正重视起压电 材料的研究。 1916 年郎之万（Langevin）用压电石英晶体作成水下 发射和接收的换能器，并用回波法探测沉船和海底。 1921 年相继研 制成功石英谱振器和滤波器，开创了压电晶体在频率控制和通讯方面 的应用。在 1942 － 1943 年期间，苏联、美国和日本几乎同时发现 了 BaTiO3 ，这是在此期间的一个重要发现。 • 第三阶段 ：从第二次世界大战结束后到六十年代，是压电材料及压电 理论发展的最有成效的时期，其中， 1947 年首次发表的关于经极化 的 BaTiO3 陶瓷压电性及其应用，具有划时代的意义。 • 目前，生物压电学已经兴起且已经取得了不少进展，对生物（包括人 体组织）压电性的研究，甚至对控制生物生长、揭示生理功能秘密都 具有重大科学意义。
压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的 耦合，其分为正压电效应和逆压电效应两种 。
• 晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在 某两个表面上产生符号相反的电荷。当外力撤去后，晶体又恢复到不 带电的状态。当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。种 没有电场作用，只是由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称 为正压电效应 。当在压电晶体上加一电场时，晶体不仅要产生极化， 还要产生应变和应力。这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电 效应，或称电致伸缩效应。
• 压电发电鞋
• 压电发电鞋的原理就是把 发电装置植入鞋底。通过 走路时脚对鞋底的冲击使 压电陶瓷变形而产生电荷， 从而驱动发光二极管而发 光。
• 压电式袖珍风车
• 美国德克萨斯州大学的电子工程师沙 善克普罩亚发明了一种可以为无线嘲 络供电的袖珍风车，这种风车周长大 约10cm，它附在一个旋转凸轮上，当 凸轮旋转时可使一系列压电晶体不断 伸缩。当压电材料被挤压或伸展时便 会产生电能。时速为16Km的微风便可 以产生7．5mW的持续电能，这足以 保证一个电子传感器的运转，可以为 完整的无线传感器网络供电。与利用 风力涡轮机为电网供电的常规发电机 相比。一个压电发电机的转化效率能 达到18%。
• 监控仪本身虽然有压电材料，但是其芯片 和信号发射装置的耗电量不是压电材料可 以供给的，所以仍需要配备电池。可以采 用和植入式起搏器相同的微型电池，只需 要5到7年更换一次便可。 • 在芯片接受到信号之后，不需要进行处理， 只需要通过发射装置将数字信号发射给患 者准备的终端便可。由于WIFI的发展，信 号可直接连接PC，通过互联网发送专门的 监控部门便可。如有异常可以以最快的速 度进行救治。
• 当然这个想法还有很多待改进的缺陷。 • 首先，压电材料的主要构成元素包含了大量的重 金属，如钛、铅等如果长期在人体内存在会威胁 患者健康。 • 其次，人体内的体液环境复杂，金属物质在体内 会造成一定的腐蚀，当压电材料和芯片发射装置 被腐蚀后很可能影响监控仪的正常工作。 • 第三，由于医学对心结构仍不是非常明了，所以 对于植入部位会不会因为压缩、摩擦产生其他影 响仍需要考究。
• 近些年来，随着社会的发展、科技的进步、生活 水平的不断提高，人们的健康观念及保护健康的 方式和途径都发生了深刻的变化，家庭医疗就是 适应当前社会发展需要，将当代高新技术与临床 医疗相结合的产物，并已成为当今世界医疗领域 的研究热点。家庭医疗实现医疗进入家庭，可以 在家中对病人实施诊断、治疗、康复和保健。家 庭医疗符合现代社会日益老龄化、医疗费用日益 高涨以及人们对身体健康标准不断提高的趋势， 同时家庭医疗网络化可以提高边远地区的医疗水 平。因此，家庭医疗的发展具有强大的生命力。
• 由于压电材料独有的压电效应和逆压电效 应，自身可以能够完美的实现机械能和电 能的转化。因此我们设想在设计一种由压 电材料构成的传感器，置于心脏中，利用 心脏自身不断的跳动对压电材料产生不断 的挤压产生电能提供自身传感器的运行， 同时在体外设置一个心电图显示器，将传 感器中的信号传送到外设仪器上，同时可 以通过网络输送到医院，让医生随时了解 到病人的情况，从而实现很好的实时监控。
• 同时，随着我国人口老龄化的 加剧，心脏疾病的患病率也越 来越高。据统计，目前有1亿 以上的人患有高血压，每年大 约有75万人死于心脏疾病， 心血管疾病的患病率仍在逐年 上升，而且呈低龄化趋势 。 • 临床医学实践表明，对于心脏 疾病的防治，最有效的手段就 是预防和保健，在对心脏病患 者进行经常性监测的基础上， 尽早发现异常病变情况，及时 进行治疗，以控制病情的进一 步发展。
压电材料的种类
• 自 40 年代中期出现了BaTiO3陶瓷以后， 压电陶瓷的发展较快。两个分支：一 是晶体和陶瓷材料；另一是柔性材料 （高分子聚合物）。
• ⑴钛酸钡 ：机电耦合系数较高，化学性质稳定，有较大的工作温度 范围因而应用广泛。早在 40 年代末已在拾音器、换能器、滤波器 等方面得到应用 。 • ⑵钛酸铅 ：结构与钛酸钡相类似，其居里温度为 495℃ ，居里温 度下为四方晶系，其压电性能较低。 • ⑶锆酸铅 ：为反铁电体，具有双电滞回线。 • ⑷锆钛酸铅 （ PZT ）：为二元系压电陶瓷， 该压电陶瓷在四方晶 相（富钛边）和菱形晶相（富锆一边）的相界附近，其耦合系数和 介电常数是最高的。 • ⑸其它压电陶瓷材料 ：钨青铜型、含铋层状化合物、焦绿石型和钛 铁矿型等非钙钛矿压电材料。它们具有很大的潜力。此外硫化隔、 氧化锌、氮化铝等压电半导体薄膜也得到了研究与发展， 70 年代 以来，为了满足光电子学发展需要又研制出掺镧锆钛酸铅（ PLZT ） 透明铁电陶瓷，用它制成各种光电器件。
材料力学性能
演讲主题：压电材料的应用 学院 ： 动力与机械学院 班级 ： 08级材料一班 小组成员：石振斌 田飞 周继恒
• 1880年居里兄弟首先在石英晶体上发现了 压电效应，压电材料由此被人所关注。
那么，什么是压电效应呢？
• 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷 已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点 火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装 置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上， 使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口 放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的 这种功能就叫做压电效应。再比如我们经常看到的 打火机也是由一块压电材料来引燃的。
心电图作为一种无创伤检 查手段，经过大量的临床 研究，证明对心脏肥大、 心肌梗塞及其梗塞部位具 有决定性的诊断价值，对 某些心脏疾病，如心肌炎、 心包炎、药物中毒等引起 的心脏病变具有辅助诊断 意义 。心电图（心电图 （ECG）是利用心电图 机记录的心脏每一心动周 期电活动变化的曲线图形） 是心脏病诊断的重要依据。
• 目前比较常用的包括植入式心脏起博器 (ICD)、背负式“心脏监控仪”。但是对于 心脏的长期监控和便捷性都远远不足。 • 如改用压电材料，那么心脏监控仪便可以 大大减小体积，之前类似的心脏起搏器需 要火柴盒大小，改用压电材料后只需要纽 扣电池大小便可，更加方便植入并且不会 影响生活。从心脏获取的信息可以通过发 射器连接到PC终端，并及时发送到医院监 控信息中心，可以更快更方便的监控病人 信息。
两边的放大层采 用和身体没有刺激 的材料制成，发达 心脏的收缩幅度， 同样保护着压电材 料不会因为摩擦对 心脏造成伤害。 芯片将电信号转 变为数字信号并且 通过发射器发射到 附近的接收器终端。
由于心脏肌肉结构十分复杂， 对于监控设备的植入也十分考究。 根据现在的医学研究，心脏的肌 肉的收缩机制和骨骼肌类似，沿 长轴绕心室壁呈螺旋状收缩运动。 由于轴向的拉伸会在纵向肌肉间 产生挤压力，所以在肌肉纤维间 植入监控器可以在最低的破坏程 度下达到最好的效果。
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图2.1 正常心电图波形组成及测量示意图
• 当前市面上心电检测设备在 设计时都侧重于供医院和社 区医疗使用，而对适合家庭 使用的便携式心电检测设备 存在的问题研究较少。现有 心电检测设备对家庭使用来 说还存在较多问题，例如价 格昂贵、专业性强、用户操 作不便、智能化比较低等缺 点。因此，研究开发适合预 防保健的便携式心电检测系 统有着重要的意义。
• 由于压电材料所独有的正压电效应和逆压 电效应，可以很好的实现机械能和电能之 间的相互转化，是一种非常有价值的新型 材料，可以说自从该材料被发现开始就被 众人所关注，压电材料在生活生产中起到 了巨大的作用。 • 目前研究的最多、最具应用前景的小型发 电装置是利用电磁和压电原理制作的。
压电材料的妙用