壓電材料詳細信息的完整收集

壓電材料是壹種晶體材料，當它受到壓力時，兩個端面之間會出現電壓。

材料原理，材料分類，無機壓電材料，有機壓電材料，材料應用，換能器，驅動器，傳感器，機器人，發展現狀，細晶壓電陶瓷，PbTiO3基壓電陶瓷，壓電復合材料，多元單晶壓電體，材料參數，基本介紹受壓力時兩端會出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學家p .居裏和j .居裏發現，在應時晶體上放置重物時，晶體的某些表面會產生電荷，電荷的多少與壓力成正比。這種現象被稱為壓電效應。隨即，居裏兄弟發現了逆壓電效應，即壓電體在外加電場的作用下會發生形變。壓電效應的機理是壓電晶體的對稱性低。當壓電晶體受外力變形時，胞內正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體宏觀極化，晶體表面電荷密度等於極化強度在表面法線方向的投影。因此，當壓電材料受到壓力變形時，兩端會出現不同的電荷。相反，當壓電材料在電場中極化時，由於電荷中心的位移，材料會發生形變。壓電材料的這些特性可以用來實現機械振動(聲波)和交流電之間的相互轉換。因此，壓電材料廣泛用於傳感器元件，例如地震傳感器、力、速度和加速度測量元件和電聲傳感器。這種材料應用廣泛，比如打火機的火花就采用了這種技術。壓電現象是居裏兄弟在100多年前研究應時時發現的。那麽什麽是壓電效應呢？當妳點燃煤氣爐或熱水器時，壹種壓電陶瓷已經悄悄地為妳服務了壹次。制造商將壓電陶瓷藏在這種壓電點火裝置中。當使用者按壓點火裝置的彈簧時，傳動裝置對壓電陶瓷施加壓力，使其產生高壓，然後將電能引向氣體的出口放電。結果，氣體被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能稱為壓電效應。壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，就會產生電位差(稱為正壓電效應)，反之，就會產生機械應力(稱為逆壓電效應)。如果壓力是壹種高頻振動，就會產生高頻電流。當高頻電信號作用於壓電陶瓷時，產生高頻聲信號(機械振動)，也就是我們通常所說的超聲波信號。換句話說，壓電陶瓷具有機械能和電能之間的轉換和逆轉換功能，這種對應關系真的很有意思。壓電應時晶體材料壓電材料可以由於機械變形產生電場，也可以由於電場的作用產生機械變形。這種固有的機電耦合效應使得壓電材料在工程中得到廣泛應用。例如，壓電材料已被用於制造智能結構，具有自診斷、自適應和自修復功能，在未來的飛機設計中發揮著重要作用。材料的分類無機壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體壹般指壓電單晶；壓電陶瓷壹般指壓電多晶體。壓電陶瓷是由基本成分的原料混合、成型、高溫燒結而成的多晶體，粉末顆粒之間通過固相反應和燒結過程獲得的細小晶粒不規則組裝而成。壓電陶瓷其實就是鐵電陶瓷。這種陶瓷的晶粒中有鐵電疇。鐵電疇由具有反平行自發極化方向的180疇和具有垂直自發極化方向的90疇組成。在人工極化條件下(施加強DC電場)，這些疇的自發極化完全排列在外加電場的方向上，並在去除外加電場後保持剩余的極化強度，因此它們具有宏觀壓電性。如:鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鋰鉛PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的研制成功，促進了聲換能器、壓電感應器等各種壓電器件性能的改善和提高。壓電材料壓電晶體壹般指壓電單晶，是按照晶體空間晶格長程有序生長的晶體。這種晶體結構沒有對稱中心，所以是壓電的。例如晶體(應時晶體)、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦、鐵電晶體，例如鈮酸鋰和鉭酸鋰。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，但機械品質因數低，電損耗大，穩定性差，適用於大功率換能器和寬帶濾波器，但對於高頻高穩定的應用並不理想。壓電單晶體如應時的壓電性弱，介電常數低，尺寸受切割限制，但穩定性高，機械品質因數高。它們主要用作標準頻率控制的振蕩器、具有高選擇性的濾波器(主要是高頻窄帶通)以及高頻和高溫超聲波換能器。鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3單晶(KP ≥ 90%，D33 ≥ 900× 10-3c/n，ε≥20000)因其特殊的性能在國內外已有研究，但由於其居裏點較低，還遠未投入使用。有機壓電材料也叫壓電聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)(薄膜)等以它為代表的有機壓電材料。這類材料及其柔性、低密度、低阻抗、高電壓常數(G)等優點引起了世界範圍的關註，並得到了迅速發展。水聲超聲波測量、壓力傳感、點火、起爆都有應用。缺點是壓電應變常數(D)低，這極大地限制了它作為有源發射換能器的使用。第三類是復合壓電材料，由嵌在有機聚合物基體材料中的片狀、棒狀、棒狀或粉末狀壓電材料組成。至今已廣泛應用於水聲、電聲、超聲、醫學等領域。如果將其制成水聲換能器，不僅具有較高的流體靜力響應速率，而且耐沖擊，不易損壞，可在不同深度使用。壓電材料對於換能器材料的應用領域大致可以分為兩大類:振動能和超聲振動能-電能換能器，包括電聲換能器、水聲換能器和超聲換能器，以及其他傳感器和驅動器。換能器換能器是將機械振動轉換成電信號或在電場驅動下產生機械振動的裝置。壓電聚合物電聲器件利用聚合物的橫向壓電效應，而換能器設計利用聚合物壓電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，可以生產出麥克風、立體聲耳機、高頻揚聲器等電聲器件。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性，開發具有其他現有技術難以實現的特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號傳輸系統等。在研究之初，壓電聚合物水聲換能器都是針對軍事應用的，比如用於水下探測的大面積傳感器陣列和監測系統，後來應用領域逐漸擴展到地球物理探測、聲學測試設備等。為滿足特定要求而開發的各種原型水聲裝置，采用不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、疊層片、圓柱體、同軸線等，以充分發揮壓電聚合物的高彈性、低密度、易於制備不同截面構件、聲阻抗與水相同等特性。最後壹個特征使得由壓電聚合物制成的水聽器能夠被放置在被測聲場中以感知聲場中的聲壓，而不是因為它們自身的存在。聚合物的高彈性可以減小水聽器內的瞬態振蕩，從而進壹步提高壓電聚合物水聽器的性能。超聲傳感器的壓電聚合物換能器已成功應用於生物醫學傳感器領域，尤其是超聲成像領域。PVDF薄膜具有優異的柔韌性和成型性，這使得它易於應用於許多傳感器產品。壓電執行器利用逆壓電效應將電能轉化為機械能或機械運動。聚合物致動器主要基於聚合物雙壓電晶片，包括橫向效應和縱向效應。基於聚合物雙壓電晶片的驅動器應用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。將這些創造性的想法付諸實踐需要大量的研究。P (VDF-TRFE) * *聚合物的電子束輻照使這種材料具有產生大伸縮應變的能力，從而為開發新型聚合物致動器創造了有利條件。在國防潛在應用前景的驅動下，利用* * *聚合物輻照改性制備全聚合物水聲發射裝置的研究正在美軍的大力支持下系統開展。此外，利用輻射改性聚合物的優良特性，研發其在醫用超聲、減振降噪等方面的應用。，還需要大量的探索。傳感器1。壓電壓力傳感器壓電壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應制成的。壓電壓力傳感器的基本結構如右圖所示。因為壓電材料的電荷是壹定的，所以在接線時要特別註意避免漏電。壓電式壓力傳感器具有自生信號、輸出信號大、頻響高、體積小、結構牢固等優點。它的缺點是只能用於動能測量。需要特殊線纜，受到突然震動或過大壓力時自恢復較慢。2.壓電加速度傳感器的壓電元件壹般由兩片壓電晶片組成。電極鍍在壓電晶片的兩個表面上，引線被引出。質量塊放置在壓電晶片上，其通常由相對大的金屬鎢或具有高比重的合金制成。然後用硬彈簧或螺栓螺母對質量塊進行預緊，將整個組件安裝在原底座的金屬外殼內。為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件，避免錯誤的信號輸出，壹般需要加厚底座或者選擇剛度更大的材料，外殼和底座的重量幾乎占到傳感器的壹半。測量時，傳感器基座和試件剛性固定在壹起。當傳感器受到振動力時，由於底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較小。因此，質量受到與基座相同的運動，並受到與加速度方向相反的慣性力。這樣，質量塊具有與作用在壓電晶片上的加速度成比例的應變力。因為壓電晶片具有壓電效應，所以在其兩個表面上產生交變電荷(電壓)。當加速度頻率遠低於傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電壓與作用力成正比，即與試樣的加速度成正比。輸出的電量從傳感器的輸出端引出，輸入前置放大器，這樣就可以用普通的測量儀器測量出試件的加速度。如果在放大器上加壹個合適的積分電路，就可以測出樣品的振動速度或位移。機器人安裝接近傳感器主要有三個目的:壹是在接觸物體之前獲取必要的信息，為下壹步的運動做準備；其次，檢測機器人手腳的運動空間是否有障礙物。如發現障礙物，及時采取壹定措施，避免碰撞；第三，為了獲得物體表面形狀的壹般信息。超聲波是人耳聽到的壹種機械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率範圍只有20 Hz-20HZ-20000HZ。超聲波由於波長短，衍射小，可以成為聲線，定向傳播。在機器人中使用超聲波傳感器的目的是檢測周圍物體的存在，並測量它們之間的距離。壹般用於檢測周圍環境中的大型物體，無法測量距離小於30 mm的物體，超聲波傳感器包括超聲波發射器、超聲波接收器、計時電路和控制電路四個主要部分。其工作原理大致如下:首先，超聲波發射器向被測物體方向發射脈沖超聲波。發射器發出壹系列超聲波後，自動關機，停止發射。與此同時，超聲波接收器開始檢測回波信號，計時電路也開始計時。當超聲波遇到物體時，會被反射回來。當超聲波接收器接收到回波信號時，計時電路停止計時。此時，計時電路記錄的時間是從發射超聲波到接收回波信號的傳播時間。使用傳播時間值，可以轉換被測物體和超聲波傳感器之間的距離。轉換公式很簡單，就是聲波傳播時間的壹半與聲波在介質中的傳播速度的乘積。超聲波傳感器的整個工作過程在控制電路的控制下依次進行。除了上述用途，壓電材料還有其他相當廣泛的應用。如鑒頻器、壓電振蕩器、變壓器、濾波器等。發展現狀下面介紹幾種正在發展的壓電陶瓷材料和幾種新的應用。細晶壓電陶瓷過去的壓電陶瓷是由幾微米到幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸無法滿足需要。將顆粒尺寸減小到亞微米級，可以改善材料的加工性能，使基底更薄，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，降低多層器件的各層厚度，從而降低驅動電壓，有利於改善疊層變壓器和制動器。減小顆粒尺寸有上面說的那麽多好處，但是也帶來了減小壓電效應的影響。為了克服這種影響，人們改變了傳統的摻雜工藝，將細晶粒壓電陶瓷的壓電效應提高到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平。制作細紋材料的成本可以和普通陶瓷競爭。細晶粒壓電陶瓷已用於切割和研磨，並制成了壹些高頻換能器、微制動器和薄型蜂鳴器(瓷磚厚度為20-30 μm)，證明了細晶粒壓電陶瓷的優越性。隨著納米技術的發展，細晶壓電陶瓷材料的研究和應用仍然是熱點。鈦酸鉛系列壓電陶瓷鈦酸鉛系列壓電陶瓷最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在燒結困難、極化、產品尺寸大等問題，但人們已經做了大量的改性工作來提高其燒結性。抑制晶粒生長，從而獲得晶粒細小且各向異性的改性鈦酸鉛材料。近年來，改進的PBT-IO-3材料被廣泛報道，並被廣泛應用於金屬探傷和高頻器件中。這種材料的開發和應用仍然是許多壓電陶瓷工作者關心的話題。壓電復合材料由無機壓電陶瓷和有機聚合物樹脂組成的壓電復合材料兼有無機和有機壓電材料的性能，並能產生兩者都不具備的特性。因此，我們可以根據需要結合兩相材料的優點來制作性能良好的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適用於水聲換能器。壓電復合材料在其他超聲換能器和傳感器中也有很大的優勢。國內學者也對這壹領域感興趣，做了大量的工藝研究，並對復合材料的結構和性能做了壹些有益的基礎研究工作，致力於壓電復合材料產品的開發。多元單晶壓電傳統壓電陶瓷具有比其他類型壓電材料更強的壓電效應，因此被廣泛應用。然而，作為壹種大應變、高能量的能量轉換材料，傳統壓電陶瓷的壓電效應仍然不能滿足要求。所以近年來人們做了大量的工作來開發壓電性更好的新型壓電材料，現在已經發現並開發了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶(A=Zn2+，Mg2+)。這種單晶的最大d33和k33可分別達到2600pc/N(壓電陶瓷d33為850 PC/n)和0.95(壓電陶瓷K33為0.8)，其應變>:1.7%，幾乎比壓電陶瓷的應變高壹個數量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電工表示，這種材料的出現是壓電材料發展的又壹次飛躍。美國、日本、俄羅斯和中國已經開始研究這類材料的生產技術，其批量生產的成功必將帶來壓電材料應用的快速發展。材料參數壓電系數d33

壓電系數是壓電體將機械能轉化為電能或電能轉化為機械能的轉換系數，反映了壓電材料彈性性能和介電性能之間的耦合關系。

自由介電常數ε t33(自由磁導率)

應變為零(或常數)時電介質的介電常數，單位為法拉/米。

相對介電常數ε tr3(相對磁導率)

介電常數εT33與真空介電常數ε0之比，εTr3=εT33/ε0，是壹個無量綱的物理量。

介電損耗(介電損耗)

由於極化弛豫過程和漏電導，在電場作用下電介質中損失的能量。

Tgδ(損耗角正切(TG δ)

在正弦交變電場的作用下，流過理想電介質的電流比電壓相位超前90 0倍。但由於壓電陶瓷樣品中的能量損失，前方電流的相角ψ小於90°，其余角δ(δ+ψ= 90°)稱為損耗角，這是壹個無量綱的物理量。人們通常用損耗角的正切tgδ來表示介質損耗的大小，表示介質的有功功率(損耗功率)。即:電質量因子Qe(電質量因子)

電品質因數的值等於樣品損耗角正切值的倒數，是用Qe表示的無量綱物理量。如果用並聯等效電路來表示壓電陶瓷在交變電場中的樣品，Qe=1/ tgδ=ωCR。

機械品質因數Qm(機械品質因數)

壓電振動器在諧振時儲存的機械能與壹個周期內損失的機械能之比稱為機械品質因數。它與振蕩器參數的關系為:

泊松比

泊松比是指應力作用下固體的橫向相對收縮與縱向相對伸長之比，是壹個無量綱的物理量，用δ=-S 12 /S11表示。

串聯諧振頻率fs(串聯諧振頻率)

壓電振子等效電路中串聯支路的諧振頻率稱為串聯諧振頻率，用f·s表示，即

並聯諧振頻率fp(並聯諧振頻率)

壓電振子等效電路中並聯支路的諧振頻率稱為並聯諧振頻率，用f p表示，即f p =諧振頻率fr(諧振頻率)。

使壓電振子電納為零的壹對頻率中較低的頻率稱為諧振頻率，用f r表示。

反諧振頻率fa(反諧振頻率)

使壓電振子電納為零的壹對頻率中較高的頻率稱為反諧振頻率，用f a表示。