压电材料的应用.doc

压电材料的应用专业:材料科学与工程学号:1101900102班级:1019001姓名:金祖儿摘要: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120e以上,四方相转变为立方相,属于顺电相;在0e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(120e)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(0e),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***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***。其铁电性源于酰***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150e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***乙烯(VDF)和三***乙烯(TrFE)的共聚物,可以看作是PVDF中的VDF单体