1、材料科學與材料世界之期末展示壓 電 材 料研究課題： 壓電材料 姓名學號：王小莉（20102304048）趙豆豆（20102304032）李青子（20102304030）譚秋嫻 （20100101141）目錄一、引言：3二、壓電材料的定義：4三、壓電材料的發現：4四、壓電效應的原理：4五、壓電材料的分類：51、第一類是無機壓電材料52、第二類是有機壓電材料6六、壓電材料應用：61、換能器：62、壓電驅動器73、傳感器上的應用84、在機器人接近覺中的應用（超聲波傳感器）9七、壓電材料的發展現狀：91、細晶粒壓電陶瓷92、PbTiO3系壓電材料103、壓電陶瓷-高聚物復合材料104、壓電性特異的多

2、元單晶壓電體10八、壓電材料的最新研究方向：11九、關于壓電材料的應用設想：121. 納米壓電材料有望使未來手機不再充電122. 壓電材料特制地板，讓綠色家居成為可能12一、 引言： 材料的世界奇幻無窮，高深莫測，繁瑣的研究，復雜的原理，讓人徒呼奈何； 材料的世界千奇百怪，融入生活，大量的使用， 神奇的功能，讓人大呼真棒；沒有做不到，只有想不到，材料科學幫助你完成心中的奇思妙想，讓一切皆有可能；層出不窮，功能各異的材料推動世界文明前進，讓人類的生活更加美好。在鞋子的底部，存在壓電材料，每當小孩子跑動時，腳部擠壓鞋底，產生壓力，這個壓力使鞋子內的的壓電材料產生電荷，這些電荷通過導線，輸送給發光二

3、極管，所以我們就看到了鞋子發光的奇景了你是否看到過小孩子穿的一種鞋子呢，那種在走動中發出五顏六色的彩光的鞋子呢，是不是很漂亮呢?可是，你知道鞋子為什么會發光嗎？你是否研究過打火機是怎么產生火焰的呢？那是因為它們里面都有一種東西，這個東西就是我所要介紹的一種材料壓電材料。這種按壓式的打火機內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓,進而將電能引向燃氣的出口放電。于是，燃氣就被電火花點燃了二、 壓電材料的定義：壓電材料（piezoelectric material），是一種當受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓，當存在外電場時會發生形變的的

4、晶體材料。三、 壓電材料的發現：1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱為壓電效應。隨即，居里兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和

5、交流電的互相轉換。四、 壓電效應的原理：如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓,則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應性和自修

6、復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。五、 壓電材料的分類：1、 第一類是無機壓電材料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。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發極化方向反向平行的180 疇和自發極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化（施加強直流電場）條件下，自發極化依外電場方向充分排列并在撤消外電場后保持剩余極化強度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸

7、鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的研制成功，促進了聲換能器，壓電傳感器的各種壓電器件性能的改善和提高。壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩定性很高，機械品

8、質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、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%, d33900×10-3C/N, 20,000）性能特異，國內外上都開始這種材料的研究，但由于其居里點太低，離使用化尚有一段距離。2、 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。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(g)等優點為世人矚目，且發展十分迅速，現在水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。不足之處是壓電應變常數（d）偏低

9、，使之作為有源發射換能器受到很大的限制。第三類是復合壓電材料，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。至今已在水聲、電聲、超聲、醫學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。六、 壓電材料應用：壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應用,包括電聲換能器,水聲換能器和超聲換能器等,以及其它傳感器和驅動器應用。1、 換能器：換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生機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,而換能器設計則利用了聚合物壓電

10、雙晶片或壓電單晶片在外電場驅動下的彎曲振動,利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產生電荷，其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收，并通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說，麥克風中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“說話”或“唱歌”。甚至在歐洲的一些夜總會內也安裝了含有壓電材料的特制地板，這種地板能夠吸收夜總會顧客跳

11、舞時舞步所產生的能量，并將這些能量轉換成電能，為夜總會中的電燈提供能量。據報道，香港體育館準備利用這種技術，將前來運動的人員腳步聲轉換成電能，維持館內的電燈和音樂播放器所需的能量。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,研制運用其它現行技術難以實現的、而且具有特殊電聲功能的器件,如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發射系統等。壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準軍事應用,如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監視系統等,隨后應用領域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設備等方面。為滿足特定要求而開發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,

12、以充分發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、而且聲阻抗與水數量級相同等特點,最后一個特點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的瞬態振蕩,從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。壓電聚合物換能器在生物醫學傳感器領域,尤其是超聲成像中,獲得了最為成功的應用、PVDF薄膜優異的柔韌性和成型性,使其易于應用到許多傳感器產品中。2、 壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電效應,將電能轉變為機械能或機械運動,聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎,包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式,基于

13、聚合物雙晶片開展的驅動器應用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。要使這些創造性設想獲得實際應用,還需要進行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力,從而為研制新型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防應用前景的推動下,利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發射裝置的研究,在美國軍方的大力支持下正在系統地進行之中。除此之外,利用輻照改性共聚物的優異特性,研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用,還需要進行大量的探索。3、 傳感器上的應用壓電式壓力傳感器：利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。由于壓電材料的電荷量是一定的,所以在連接時要特別注意,避免

14、漏電。壓電式壓力傳感器的優點是具有自生信號,輸出信號大,較高的頻率響應,體積小,結構堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜,在受到突然振動或過大壓力時,自我恢復較慢。壓電式加速度傳感器：壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極,并引出引線。在壓電晶片上放置一個質量塊,質量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓,螺帽對質量塊預加載荷,整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應變傳送到壓電元件上去,避免產生假信號輸出,所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造,殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。測量時,將傳感器基座與試

15、件剛性地固定在一起。當傳感器受振動力作用時,由于基座和質量塊的剛度相當大,而質量塊的質量相對較小,可以認為質量塊的慣性很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動,并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質量塊就有一正比于加速度的應變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應,因此在它的兩個表面上就產生交變電荷（電壓）,當加速度頻率遠低于傳感器的固有頻率時,傳感器給輸出電壓與作用力成正比,亦即與試件的加速度成正比,輸出電量由傳感器輸出端引出,輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度;如果在放大器中加進適當的積分電路,就可以測試試件的振動速度或位移。4、 在機器人接近覺中的應用

16、（超聲波傳感器）機器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其一，在接觸對象物體之前,獲得必要的信息,為下一步運動做好準備工作；其二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發現有障礙,則及時采取一定措施,避免發生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。超聲波是人耳聽見的一種機械波,頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音,振動頻率范圍只是20HZ20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小,而能成為聲波射線并定向傳播,機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環境中較大的物體,不能測量距離小于30mm的物體。超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定

17、時電路和控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈沖式的超聲波。發射器發出一連串超聲波后即自行關閉，停止發射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開始計時。當超聲波遇到物體后,就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間,是從發射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值,可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單,即聲波傳播時間的一半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的應用。如鑒頻器、壓

18、電震蕩器、變壓器、濾波器等。七、 壓電材料的發展現狀：1、 細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疇晶粒組成的多晶材料,尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級,可以改進材料的加工性,可將基片做地更薄,可提高陣列頻率,降低換能器陣列的損耗,提高器件的機械強度,減小多層器件每層的厚度,從而降低驅動電壓,這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處,但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響,人們更改了傳統的摻雜工藝,使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平。現在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切

19、割研磨研究,并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚）,證明了細晶粒壓電陶瓷的優越性。隨著納米技術的發展,細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發仍是近期的熱點。2、 PbTiO3系壓電材料 PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產品難的問題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結性。抑制晶粒長大,從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年,改良PbTiO3材料報道較多,在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。目前該材料的發展和應用開發仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。

20、60; 3、 壓電陶瓷-高聚物復合材料無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料,兼備無機和有機壓電材料的性能,并能產生兩相都沒有的特性。因此,可以根據需要,綜合二相材料的優點,制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面,壓電復合材料也有較大優勢。國內學者對這個領域也頗感興趣,做了大量的工藝研究,并在復合材料的結構和性能方面做了一些有益的基礎研究工作,目前正致力于壓電復合材料產品的開發。4、 壓電性特異的多元單晶壓電體傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強,從而得到了廣泛應用。但作為大應邊,高能換能材

21、料,傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。于是近幾年來,人們為了研究出具有更優異壓電性的新壓電材料,做了大量工作,現已發現并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8）,其應變>1.7%,幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。儲能密度高達130J/kg,而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又一次飛躍。現在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產工藝研究,它的批量生產的成功必將帶來

22、壓電材料應用的飛速發展。八、 壓電材料的最新研究方向：隨著壓電材料運用越來越廣泛，科學家們想到將其用于低能耗電子產品中，但傳統的壓電材料都太“大”，于是研制納米級別的壓電材料成為科研人員的全新領域。 卡金教授和休斯頓大學的同行合作，通過研究發現，厚度為21納米左右的壓電材料轉化聲波的能力最強，能夠將聲波能量轉化成電能的效率提高百分之百。而且由于納米材料的敏感性，比21納米大或小的其他級別納米材料都不能達到這么高的能量轉換效率。 壓電材料界的專家表示，卡金的這一新發現將會對低能耗電子產品帶來極大影響，這一新材料將會在手機、筆記本電腦、專用通信裝置以及其他普遍消費的電子產品如mp3播放器上大展身手，許多消費者因為對電池充電后使用時間的不滿，而希望有東西能夠取代這些電池。 這種壓電材料還可能用于戰場。在現代化戰爭中，戰士們通常會攜帶很多先進的電子設備，比如爆炸物探測裝置，一旦其內的電池沒有電了，戰士們就無法工作，而如果在傳感器中裝著納米壓電材料，通過采集攜帶裝置戰士腳步的能量，并將其轉換成電能，探測任務就會順利完