壓電材料的研究發(fā)展課件

壓電以及壓電材料的現(xiàn)狀應(yīng)用以及展望目錄一：壓電材料分類二：壓電材料簡要發(fā)展歷史三：壓電材料的功能應(yīng)用和實(shí)際應(yīng)用四：壓電陶瓷—信息時(shí)代的新型材料五：目前國內(nèi)外壓電材料的開發(fā)和研究熱點(diǎn)一：壓電材料分類壓電材料分為有機(jī)壓電材料和無機(jī)壓電材料兩大類。無機(jī)壓電材料無機(jī)壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用來作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。近來由于鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3單晶體（Kp≥90%,d33≥900×10-3C/N,ε≥20,000）性能特異，國內(nèi)外上都開始這種材料的研究，但由于其居里點(diǎn)太低，離使用化尚有一段距離。有機(jī)壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機(jī)壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。復(fù)合壓電材料第三類是復(fù)合壓電材料，這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。二：壓電材料簡要發(fā)展歷史1，1880年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)了石英晶體存在壓電效應(yīng)后使得壓電學(xué)成為現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。2，1921年，J.Valasek發(fā)現(xiàn)了水溶性酒石酸鉀鈉具有壓電性，并在該材料的介電性反常測試中人類歷史性地第一次發(fā)現(xiàn)材料的鐵電性。3，1941-1949年間，科研人員發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇陶瓷具有鐵電性能。4，1947年S.Robert發(fā)現(xiàn)BaTiO3的強(qiáng)壓電效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)是壓電材料發(fā)展史上的一次飛躍。5，1954年美國的Jaffe等發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷的具有良好的壓電性能。6，在以后的30年間，PZT材料以其較強(qiáng)且穩(wěn)定的壓電性能成為應(yīng)用最廣的壓電材料，是壓電換能器的主要功能材料。7，20世紀(jì)70年代末，科學(xué)家成功研制出了壓電復(fù)合材料。8，20世紀(jì)80年代研制開發(fā)出了玻璃陶瓷。9，20世紀(jì)90年代初，美國賓州州立大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室成功地研制出了新型的弛豫鐵電單晶PMNT和PZNT，其應(yīng)變量為PZT陶瓷的10倍以上。換能器換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動的器件。壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點(diǎn)，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級相同等特點(diǎn)，最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。在機(jī)器人接近覺中的應(yīng)用機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動做好準(zhǔn)備工作；其二，探測機(jī)器人手和足的運(yùn)動空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時(shí)采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開始檢測回聲信號，定時(shí)電路也開始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡單，即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。壓電陶瓷實(shí)際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。它是在1946年當(dāng)有人證實(shí)了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之后開始問世的：差不多十年之后，賈菲（Jaffe）等又發(fā)現(xiàn)了PbTi03-PbZrO2系（即所謂PZT系）及后來又發(fā)現(xiàn)的mPZT為基的三元系壓電陶瓷和鈮酸鹽系壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應(yīng)用性有了極大的提高。特別是三元系壓電陶瓷的出現(xiàn)，使壓電陶瓷在選擇一定耦合系數(shù)、溫度特性方面有了較大的余地，能滿足多種電子儀器的要求，從而使壓電陶瓷的應(yīng)用范圍大大增加了。例如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器，電聲換能器，水聲換能器，聲表的波器件，電光器件，紅外探測器件和壓電陀螺等，都是壓電陶瓷在現(xiàn)代電子技術(shù)中的應(yīng)用。利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個(gè)直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一種可連續(xù)打火幾萬次的氣體電子打火機(jī)。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對金屬進(jìn)行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對塑料甚至金屬進(jìn)行加工。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，并將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。

在潛入深海的潛艇上，都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導(dǎo)航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備，也是開發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中，有一雙明亮的“眼睛”——壓電陶瓷水聲換能器。當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個(gè)目標(biāo)后就會產(chǎn)生反射信號，這個(gè)反射信號被另一個(gè)接收型水聲換能器所接收，于是，就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。目前，壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。在工業(yè)上，地質(zhì)探測儀里有壓電陶瓷元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有電視機(jī)里的變壓器——電壓陶瓷變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達(dá)60%～80%，能耐住3萬伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的電視機(jī)大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機(jī)體積變小、重量減輕了。2壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料有如下發(fā)展趨勢：1）開發(fā)連接類型：按壓電陶瓷相和聚合物相在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)，可將壓電復(fù)合材料分成10種連接類型。2）改進(jìn)成型工藝：成型工藝直接影響壓電復(fù)合材料的性能，所以探索新工藝是壓電復(fù)合材料研究的一個(gè)重要方面。3高居里溫度壓電陶瓷原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等許多工業(yè)和科研部門迫切需要能夠在更高的溫度下工作的電子設(shè)備。，PZT基壓電陶瓷的Tc一般為300～360℃，不能滿足某些應(yīng)用的需要，研制一些具有優(yōu)良壓電性高居里溫度Tc的壓電陶瓷成為研究的熱點(diǎn)。3.1BiScO3-PbTiO3（BSPT）體系3.2堿金屬鈮酸鹽體系(1-x)LiNbO3-x(Na,K)(NbyTa1-y)3.3鐵電體偏鈮酸鉛體系PbxBa1-xNb2O3+TiO2+Me2+4三元及多元系壓電陶瓷PZT壓電陶瓷不斷改進(jìn)，逐趨完美。以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)，用多種元素改進(jìn)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。多元系壓電陶瓷能夠彌補(bǔ)低元系陶瓷性能單一的缺陷，具備壓電、介電和機(jī)械性能比較全面的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。5壓電薄膜隨著電子器件的小型化以及新的微電子機(jī)械（MEMS）和創(chuàng)建新型電子器件，實(shí)現(xiàn)電子器件概念上的突破等都在很大程度上推動從體材料研究轉(zhuǎn)向薄膜。6細(xì)晶粒壓電陶瓷以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多晶粒組成的多晶材料，在高頻器件以及超低壓致動器和微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用方面，這樣的粒徑已接近期間規(guī)格尺寸，所以傳統(tǒng)的粗晶粒壓電陶瓷已不能滿足需要了。近年來，人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)行了切割研磨研究，并制作了一些高頻換能器、微致動器及薄型蜂鳴器（瓷片20～30μm厚），證明了細(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開發(fā)仍是近期的熱點(diǎn)。7無鉛壓電陶瓷目前所用的壓電陶瓷絕大部分為鉛基壓電陶瓷。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)和人類社會可持續(xù)發(fā)展的要求，發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)性材料（綠色材料）及技術(shù)是材料發(fā)展的趨勢之一。目前