1、。合肥學院Hefei University綜述題目課程名稱指導教師系別 / 班級姓名壓電材料的制備應用及其研究現狀無機材料物理性能學號-可編輯修改 -。壓電材料的制備應用及其研究現狀摘要：從壓電材料的壓電效應入手, 介紹了壓電材料的分類及結構組成。針對不同壓電材料在生產實踐中的應用情況,列出現階段壓電材料的制備技術。綜述了近年來壓電材料的研究現狀, 并系統介紹了壓電材料在各個領域的應用和發展。關鍵字： 壓電材料；壓電效應；制備技術；應用；發展1. 引言隨著高新技術的不斷發展, 作為促進現代社會進步三大支柱之一的新材料技術業已成為世界各國學者們爭相探索和研究的熱點領域。特別是進入本世紀七十年代以

2、來 , 由于電子技術、通訊和控制技術等高技術含量行業的迅速崛起,要求材料的功能化、器件的小型化、結構的智能化程度越來越高,使智能材料的研究更加受到人們的青睞。 目前 ,可作為智能材料系統中的執行材料主要有壓電材料、形狀記憶合金、電致伸縮材料、磁致伸縮材料和電流變體等; 可作為傳感材料的主要有壓電材料、光纖系統及其它各類特性的傳感器材料,其中壓電材料能夠自適應于環境的變化實現機械能和電能之間的相互轉化,具有集傳感、執行和控制于一體的特有屬性 ,是智能材料系統中的主導材料。2 壓電材料概述2.1壓電效應壓電體，即在受外力情況下可產生電荷（正壓電性） 或在受外電場情況下可產生形變（逆壓電性）的電介質

3、體。1880年，法國著名科學家雅克居里和皮埃爾居里在對石英晶體的研究過程中首次發現正壓電效應。不久之后，二人通過理論分析及實驗測試證實了逆壓電性的存在。-可編輯修改 -。2.2壓電材料類別第一類是復合壓電材料， 這類材料是在有機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成的。第二類是有機壓電材料，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壓電（薄膜）材料。第三類是無機壓電材料， 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。3 壓電材料的制備方法3.1 無機壓電材料塊體的制備工藝要制備塊體壓電材料 ,首先要制備壓電材料

4、粉末,然后在壓力機下預壓成坯體,分別在 650和 850 預燒 2h, 再研磨粉碎。在這里主要有2 種方法形成塊體。(l) 把粉末裝人所需要形狀的模具內加人PVA, 在壓力機下或采用等靜壓加l00MPa壓力制成圓片 (注意 :圓片的直徑與厚度之比大于10), 再把圓片放人剛玉板上 ,在圓片的周圍撒一些踐仇粉末,然后用剛玉增禍覆蓋圓片(目的是使揮發的Pb 在剛玉柑禍內形成保護氣氛,從而減少配比中Pb 的損失 );或者在稱量時多稱量計算質量 5 %(一般在做實驗時 ,上述 2 種方法都采用 ),一起放人高溫爐中緩慢加溫至 4 閱左右 (除去 PVA), 保溫 0.5h, 然后加溫到 12(X)下保

5、溫 2h 。隨爐自然冷卻就得到塊體無機壓電材料。(2)把裝有粉末的模具放人熱壓爐中加壓燒結 (保護 Pb 的損失可采用上面提到的方法 ),當加溫到 12 下保溫 2h 。隨爐自然冷卻就得到塊體無機壓電材料。制備壓電材料粉末主要有以下 3 種方法 :-可編輯修改 -。(l)直接混合球磨法以 PZT 為例。將氧化鉛、氧化錯和氧化欽按一定摩爾比和一定量的無水乙醇(在實驗室一般使用無水乙醇 ,目的是使粉料充分混合和滲透到磨細的顆粒表面,降低粉料的表面能,從而使顆粒不在團絮成大顆粒;在工業生產中 ,為了降低成本 ,可以使用蒸餾水代替無水乙醇,作用與無水乙醇一樣,唯一的區別是無水乙醇能很快蒸發掉)加人球磨

6、機中混勻后,在研缽中研磨使無水乙醇揮發。(2) 共沉淀法其基本原理是利用金屬離子水解,再將水解的產物與其他離子反應。精確控制沉淀條件可使溶液中的各種金屬離子同時沉淀 ,然后將它們加熱分解 ,生成復合金屬氧化物的納米粉末。(3) 溶膠一凝膠法溶膠一凝膠法是一種借助于膠體分散的制備方法。由于膠體粒徑都在幾十納米以下 ,且十分穩定 ,可以使各種金屬離子均勻穩定地分布其中。膠體經脫水后就變成凝膠,從而獲得納米粉。 以 PbTiO3 為例 ,首先將含有結晶水的醋酸鉛在80 下脫水24h, 冷卻后把醋酸鉛溶解在甲醇當中,然后在攪拌條件下滴于欽酸四丁醋形成淡黃色透明溶液,再加人適量水攪拌生成透明溶膠,放置3

7、 一 5 天使其發生水解一聚合反應,將凝膠在 130 條件下干燥8h, 經研磨過篩 ,得到干膠粉末 ,最后分別在 350 和 600 溫度下熱處理2h, 即可得到粒度在10一 20nm 之間的高純度的 PbTiO3 陶瓷粉末。3.2 無機 / 聚合物壓電復合材料塊體的制備自從 1978 年美國賓州州立大學材料實驗的 R.E.Newnham首先提出簡單立方模型和符號。 復合材料中所含有相可以用 O,1,2 或 3 維方式自我連通。如果復合材料山2 個分量相組成 ,可以有 10 種連通方式 ,即 0-0)于 0-1,0-2,O-3,l-l,l-2,l-3,2-2,2-3,3-3。符號的第 1 個數

8、字代表陶瓷壓電相的連通維數 ,第 2 個數字代表聚合物相的連通維數。根據上述結構,研-可編輯修改 -。究得最多的 0-3, 1-3, 2-2, 3-3。3.2.10 一 3 型這種結構壓電陶瓷 / 聚合物復合材料在三維互連的聚合物中填充壓電陶瓷顆粒而形成的壓電復合材料。主要有以下幾種制備方法:(l) 熱壓法將 PZT 粉與 PVDF 粉末相混合 ,加入適量的溶劑攪拌均勻,待有機溶劑完全揮發后 ,將混合粉料加入XQ-2 金屬鑲嵌機中 ,在 180 左右熱壓成型 ,自然冷卻至室溫 ,然后取出樣品 ,樣品的直徑為 22mm, 厚度 d=0.20-0.30mm。(2) 軋膜法將 PVDF 粉末加入熱煉

9、機XKR-160二輥之間加熱 ,在 180 左右 ,PVDF 充分軟化 ,至半熔融狀態并包覆滾筒后緩慢加入PZT 粉末 ,軋膜成型 ,自然冷卻至室溫，取膜 ,并沖成直徑為小二 22mm, 厚度為 d=0.20-0.30mm的圖片。(3) 將環氧樹脂分別與 PZT 粉末均勻混合 ,利用樹脂的成型性 ,制成 0-3 型復合材料。(4) 模壓工藝將配成 PZT 粉末混合均勻后 ,一個自制的上、下二面帶有保壓夾具的模具里一定的壓力制成直徑為24mm, 厚度為 lmm的圓片 ,然后將帶有保壓夾具的模具移入烘箱中, 使 PVDF 在 180一 305 下固化即得到了以PZT/PVDF 復合材料。3.2.2

10、1-3型這種結構壓電陶瓷 / 聚合物復合材料是指由一維的壓電陶瓷柱平行地排列于聚合物當中形成的壓電復合材料。制備1-3型復合材料的方法主要有排列一澆鑄法、切割一填充法、模具澆鑄成型和注射法。3.2.32-2 型這種結構的壓電復合材料各相的連通方式就是陶瓷相與聚合物相分別在二-可編輯修改 -。維方向上相互平行。制備2-2型復合材料一般采用熱壓法、層疊一浸漬法和切割一填充法。(l)熱壓法以 PZT 陶瓷片作為陶瓷相 ,以 PVDF 粉末填入作為聚合物相 ,在鑲嵌內逐層排列達到所需要的厚度后,加熱至 180 左右 ,加壓成型 ,然后自然冷卻至室溫。(2) 層疊一浸漬法將 PZT 片按要求的層數疊好

11、,浸漬在環氧樹脂或硅膠中,在80 左右固化成型 ,最后經過整形即可。(3)切割一填充法燒結好的PZT 陶瓷塊經過切割和一次填充即可制得2-2型復 合材料。(4) 邊壓邊加料成型法作者采用的改進工藝就是在壓力模具中先加入已經制好的PZT 粉末 ,在壓力l00MPa下成型 ,松壓后 ,再加入PVDF 粉末再升壓到l00MPa成型 , 然 后按 上述方法 達到 試驗 者所需要 的要 求厚 度 , 取出來在180-250 的溫度下固化 ,即可得到 2-2 型壓電復合材料。3.2.43-3 型這種結構的壓電復合材料是指陶瓷材料和聚合物相在三維空間內互相交織、相互包絡而形成的一種空間網絡復合材料。這種壓電

12、復合材料的制備主要采用以下 3 種方法。(l) 有機物燒蝕法是指將塑料球粒與陶瓷粉末在有機物粘結劑中均勻混合,燒去后形成多孔陶瓷框架網絡,然后再填充聚合物 ,經固化后得到 3-3 型復合材料。(2)纖維復合材料成型法即一般的復合材料成型技術。(3)“Relic ” 纖維復合法它是一種新的制備 3-3 連通型壓電復合材料的方法。 David 等用助 Sol-gel工藝制備的 PZT,溶膠去浸漬碳纖維 ,經燒結在碳纖維-可編輯修改 -。表面附著一層PZT，然后采用纖維復合材料成型技術與樹脂固化即得到了3-3連通型復合材料。另外 ,還有夾心法、梯形格式和燭光造孔法。4 壓電材料的應用及發展隨著壓電材

13、料制備技術的發展,壓電材料在生物工程、軍事、光電信息、能源等領域有著更加廣泛而重要的應用。4.1生物領域將生物陶瓷與無鉛壓電陶瓷復合成生物壓電陶瓷來實現生物仿生; 納米發電機用氧化鋅納米線將人體運動、肌肉收縮、體液流動產生的機械能轉變為電能,供給納米器件來檢測細胞的健康狀況;PVDF 薄膜用在人體和動物器官的超聲成像測量中。4.2軍事方面壓電材料能在水中發生、接受聲波,用于水下探測、地球物理探測、聲波測試等方面 ;PZT 薄膜因其熱釋電效應而應用在夜視裝置、紅外探測器上;利用壓電陶瓷的智能功能對飛機、潛艇的噪聲主動控制;壓電復合材料用在壓力傳感器檢測機身外情況和衛星遙感探測裝置中。4.3光電信

14、息領域壓電材料具有電光效應、非線性光學效應、光折變效應等光電特性,在光電方面的應用有聲表面濾波器、光快門、光波導調制器、光顯示和光存儲等;利用壓電材料的壓電效應和熱釋電效應可以對外界產生的信號進行處理、傳輸、儲存 ,用在機器人和其它智能結構中,用 PVDF 壓電材料制成觸覺傳感器已能感知溫度、壓力及識別邊角棱等幾何特征。4. 4 可再生能源-可編輯修改 -。利用壓電效應收集海浪、 風力、人力、汽車產生的振動能量實現機械能的再生利用。微機電系統可為各類小型裝置提供平均輸出的電源, Platt等用多層壓電振子實現小體積壓電結構的高能量輸出, 通過電路并聯輸出30V左右的開路電壓 ;海浪發電利用海浪

15、對壓電材料的拉伸和放松,通過電子元件變成為低頻高壓電流 ;時速為 16 公里的微風擠壓或伸展微型風車中的壓電材料便可產生7.5mW的電能 ,能將 18% 的風能轉化為電能 ; 發電鞋通過腳對鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產生電流 ,在標準體重和步幅下能產生250mW的能量。5 結語材料的制備工藝對器件性能有顯著的影響。隨著智能系統以及其他行業對壓電材料性能要求的提高 ,對壓電材料制備工藝技術的研究將不斷地深人和發展,這必將促進新壓電材料的研究和開發。同時,新壓電材料的研究和開發提高了新材料的性能要求又促進了材料科學制備工藝的快速發展,最終為新壓電材料在各種行業中的廣泛應用開拓了新領域。參考文獻1 克 拉特 EF,等著 . 阮 穎 錚 , 等譯 . 雷 達散 射 切面 . 北京 : 電 子 工 業 出版社 ,1988,P2362AntonioAV.PiezoelectricTransducersandApplica-tionsM,Springer-Verlag Berlin Heidelberg , 20083 王春雷 ,李吉超，趙明磊壓電鐵電物理 M ， 2009 ，科學出版社4 鐘維烈鐵電體物理 M ，1998 ，科學出版社 5 Newnham R E, Cross LE.Ferroelectricity:The foun-dationof a fieldfromformt