1、材料力學性能材料力學性能演講主題：壓電材料的應用學院 ： 動力與機械學院班級 ： 08級材料一班小組成員：石振斌 田飛 周繼恒 1880年居里兄弟首先在石英晶體上發現了壓電效應，壓電材料由此被人所關注。 當你在點燃煤氣灶或熱水器時,就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，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。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。再比如我們經?？吹降拇蚧饳C也是由一塊壓電材料來引燃的。那么，什么是壓電效應呢？壓電效應反映了晶體的彈性性能

2、與介電性能之間的耦合，其分為正壓電效應和逆壓電效應兩種 。晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷。當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態。當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變。這種沒有電場作用，只是由于應變或應力，在晶體內產生電極化的現象稱為正壓電效應 。當在壓電晶體上加一電場時，晶體不僅要產生極化，還要產生應變和應力。這種由電場產生應變或應力的現象稱為逆壓電效應，或稱電致伸縮效應。 壓電效應的機理是壓電效應的機理是：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

3、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）和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。 壓電材料的發展壓電材料的發展 第一階段第一階段 ：從發現壓電效應之年（ 188O 年）起至第一次世界大戰間，壓電效應并未引起人們足夠重視，故壓電材料實際上尚未進入實用階段。 第二階段第二階段 ：第一次世界大戰（ 1914l915 ）到第二次世界大戰（ 1940 194

4、5 ）期間，受到戰爭的刺激，人們才真正重視起壓電材料的研究。 1916 年郎之萬（Langevin）用壓電石英晶體作成水下發射和接收的換能器，并用回波法探測沉船和海底。 1921 年相繼研制成功石英譜振器和濾波器，開創了壓電晶體在頻率控制和通訊方面的應用。在 1942 1943 年期間，蘇聯、美國和日本幾乎同時發現了 BaTiO3 ，這是在此期間的一個重要發現。 第三階段第三階段 ：從第二次世界大戰結束后到六十年代，是壓電材料及壓電理論發展的最有成效的時期，其中， 1947 年首次發表的關于經極化的 BaTiO3 陶瓷壓電性及其應用，具有劃時代的意義。目前，生物壓電學已經興起且已經取得了不少進

5、展，對生物（包括人體組織）壓電性的研究，甚至對控制生物生長、揭示生理功能秘密都具有重大科學意義。 壓電材料的種類壓電材料的種類 自 40 年代中期出現了BaTiO3陶瓷以后，壓電陶瓷的發展較快。兩個分支：一是晶體和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子聚合物）。 鈦酸鋇 ：機電耦合系數較高，化學性質穩定，有較大的工作溫度范圍因而應用廣泛。早在 40 年代末已在拾音器、換能器、濾波器等方面得到應用 。鈦酸鉛 ：結構與鈦酸鋇相類似，其居里溫度為 495 ，居里溫度下為四方晶系，其壓電性能較低。 鋯酸鉛 ：為反鐵電體，具有雙電滯回線。鋯鈦酸鉛 （ PZT ）：為二元系壓電陶瓷， 該壓電陶瓷在四方晶相（富鈦

6、邊）和菱形晶相（富鋯一邊）的相界附近，其耦合系數和介電常數是最高的。其它壓電陶瓷材料 ：鎢青銅型、含鉍層狀化合物、焦綠石型和鈦鐵礦型等非鈣鈦礦壓電材料。它們具有很大的潛力。此外硫化隔、氧化鋅、氮化鋁等壓電半導體薄膜也得到了研究與發展， 70 年代以來，為了滿足光電子學發展需要又研制出摻鑭鋯鈦酸鉛（ PLZT ）透明鐵電陶瓷，用它制成各種光電器件。 由于壓電材料所獨有的正壓電效應和逆壓電效應，可以很好的實現機械能和電能之間的相互轉化，是一種非常有價值的新型材料，可以說自從該材料被發現開始就被眾人所關注，壓電材料在生活生產中起到了巨大的作用。 目前研究的最多、最具應用前景的小型發電裝置是利用電磁和

7、壓電原理制作的。壓電材料的妙用 壓電發電鞋壓電發電鞋 壓電發電鞋的原理就是把發電裝置植入鞋底。通過走路時腳對鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產生電荷，從而驅動發光二極管而發光。 壓電式袖珍風車壓電式袖珍風車美國德克薩斯州大學的電子工程師沙善克普罩亞發明了一種可以為無線嘲絡供電的袖珍風車，這種風車周長大約10cm，它附在一個旋轉凸輪上，當凸輪旋轉時可使一系列壓電晶體不斷伸縮。當壓電材料被擠壓或伸展時便會產生電能。時速為16Km的微風便可以產生75mW的持續電能，這足以保證一個電子傳感器的運轉，可以為完整的無線傳感器網絡供電。與利用風力渦輪機為電網供電的常規發電機相比。一個壓電發電機的轉化效率能達到18

8、%。 肌肉壓電發電系統肌肉壓電發電系統 美國凱斯西儲大學生物醫學工程學院路瓦德斯基等人提出依靠肌肉的運動來提供動力的壓電發電系統。經模擬，該發電機可以提供690uW的電能。該機構可用于驅動內置于人體中的醫療機械，市場前景廣闊。 人工耳蝸人工耳蝸 感音神經性耳聾絕大部分源于內耳毛細胞的損傷，導致不能將聲信號轉換為電信號然而聲音傳入通道保持暢通，而且聽神經的神經纖維仍有相當數量存活，僅僅是不能進行聲電轉換從而導致了病人不能獲得正常聽力。為了提高聾耳的聽力，將壓電材料植入到耳蝸內，利用壓電效應直接將聲波轉化為電信號刺激聽神經，以提高聽力。 近些年來，隨著社會的發展、科技的進步、生活水平的不斷提高，人

9、們的健康觀念及保護健康的方式和途徑都發生了深刻的變化，家庭醫療就是適應當前社會發展需要，將當代高新技術與臨床醫療相結合的產物，并已成為當今世界醫療領域的研究熱點。家庭醫療實現醫療進入家庭，可以在家中對病人實施診斷、治療、康復和保健。家庭醫療符合現代社會日益老齡化、醫療費用日益高漲以及人們對身體健康標準不斷提高的趨勢，同時家庭醫療網絡化可以提高邊遠地區的醫療水平。因此，家庭醫療的發展具有強大的生命力。 同時，隨著我國人口老齡化的加劇，心臟疾病的患病率也越來越高。據統計，目前有1億以上的人患有高血壓，每年大約有75萬人死于心臟疾病，心血管疾病的患病率仍在逐年上升，而且呈低齡化趨勢 。 臨床醫學實踐

10、表明，對于心臟疾病的防治，最有效的手段就是預防和保健，在對心臟病患者進行經常性監測的基礎上，盡早發現異常病變情況，及時進行治療，以控制病情的進一步發展。 心電圖作為一種無創傷檢查手段，經過大量的臨床研究，證明對心臟肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有決定性的診斷價值，對某些心臟疾病，如心肌炎、心包炎、藥物中毒等引起的心臟病變具有輔助診斷意義 。心電圖（心電圖（ECG）是利用心電圖機記錄的心臟每一心動周期電活動變化的曲線圖形）是心臟病診斷的重要依據。圖2.1 正常心電圖波形組成及測量示意圖 當前市面上心電檢測設備在設計時都側重于供醫院和社區醫療使用，而對適合家庭使用的便攜式心電檢測設備存在的問題研究較

11、少?，F有心電檢測設備對家庭使用來說還存在較多問題，例如價格昂貴、專業性強、用戶操作不便、智能化比較低等缺點。因此，研究開發適合預防保健的便攜式心電檢測系統有著重要的意義。 由于壓電材料獨有的壓電效應和逆壓電效應，自身可以能夠完美的實現機械能和電能的轉化。因此我們設想在設計一種由壓電材料構成的傳感器，置于心臟中，利用心臟自身不斷的跳動對壓電材料產生不斷的擠壓產生電能提供自身傳感器的運行，同時在體外設置一個心電圖顯示器，將傳感器中的信號傳送到外設儀器上，同時可以通過網絡輸送到醫院，讓醫生隨時了解到病人的情況，從而實現很好的實時監控。 目前比較常用的包括植入式心臟起博器(ICD)、背負式“心臟監控儀

12、”。但是對于心臟的長期監控和便捷性都遠遠不足。 如改用壓電材料，那么心臟監控儀便可以大大減小體積，之前類似的心臟起搏器需要火柴盒大小，改用壓電材料后只需要紐扣電池大小便可，更加方便植入并且不會影響生活。從心臟獲取的信息可以通過發射器連接到PC終端，并及時發送到醫院監控信息中心，可以更快更方便的監控病人信息。 兩邊的放大層采用和身體沒有刺激的材料制成，發達心臟的收縮幅度，同樣保護著壓電材料不會因為摩擦對心臟造成傷害。 芯片將電信號轉變為數字信號并且通過發射器發射到附近的接收器終端。 由于心臟肌肉結構十分復雜，對于監控設備的植入也十分考究。根據現在的醫學研究，心臟的肌肉的收縮機制和骨骼肌類似，沿長軸繞心室壁呈螺旋狀收縮運動。由于軸向的拉伸會在縱向肌肉間產生擠壓力，所以在肌肉纖維間植入監控器可以在最低的破壞程度下達到最好的效果。 監控儀本身雖然有壓電材料，但是其芯片和信號發射裝置的耗電量不是壓電材料可以供給的，所以仍需要配備電池?？梢圆捎煤椭踩胧狡鸩飨嗤奈⑿碗姵兀恍枰?到7年更換一次便可。 在芯片接受到信號之后，不需要進行處理，只需要通過發射裝置將數字信號發射給患者準備的終端便可。由于WIFI的發展，信號可直接連接PC，通過互聯網發送專門的