《功能转换材料》课件

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1、第十一章功能转换材料第一节压电材料一.压电效应及其产生机理某些电介质晶体，在受到外加机械力的作用，处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值的大小与应力的大小成正比，其符号取决于应力的方向，这种现象称为正压电效应。反之，当材料在电场作用下，发生电极化时，则会产生应变，其应变值的大小与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向，这种现象称逆压电效应。具有压电效应的材料叫做压电材料，因此，通过压电材料可将机械能与电能相互转换。利用逆压电效应，还可以制造电致伸缩材料。压电效应在某些电介质晶体上通过纯粹的机械作用使晶体极化，导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷，

2、电荷密度与外力成正比。这种由于机械力的作用而使晶体表面荷电的现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场，将会产生与电场强度成正比的应变或机械应力，这种现象称为逆压电效应。正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的材料就叫压电材料。晶体的正压电效应机理如图所示压电材料的机电耦合系数K，K2＝或二.压电材料的分类压电材料种类繁多,按其化学组成和形态主要分为压电单晶、压电陶瓷、高分子压电材料和压电薄膜。目前使用的主要有下列几种:㈠压电单晶：压电材料中研究得比较早的是石英晶体，它的机电性能稳定，没有内耗，它在频率稳定器、扩音器、电话、钟表等领域里都有广泛应用。此外

3、，酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂、铌酸锂、碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。其中，使用最多的是铌酸锂(LiNbO3)。㈡压电半导体：常用的有Ⅱ－Ⅵ族化合物如CdS、CdSe、ZnO、ZnS。Ⅲ－Ⅴ族化合物如：GaAs、GaSb、InAs等。㈢压电陶瓷：压电陶瓷多晶材料比压电晶体材料更便宜，但易于老化。目前，最常用的压电陶瓷有钛酸钡（是第一个被发现的可以用于制造陶瓷的铁电材料）、钛酸铅、锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。㈣高分子压电材料压电陶瓷的生产工艺与普通陶瓷工艺相似，同时具有自己的工艺特点。主要工艺流程为：配料→球磨→过滤、干燥→

4、预烧→二次球磨→过滤、干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→烧银→极化→测试。三．应用：压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。水声换能器：利用正、逆压电效应以发射声波或接收声波，来完成水下观察、通讯和探测等。在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。压电点火器：压电开关，引燃、引爆装置，打火机，燃气灶等。电子器件：拾音器、传声器、扬声器等。压电陶瓷属于无机非金属材料。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引

5、爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置，对塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的

6、方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。①声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超

7、声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。②压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电