材料物理-壓電ppt

1、壓電材料 張洋 20111340149 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 六 總結(jié) 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 六 總結(jié) 一 認識壓電材料 1942年年 在BaTiO3陶瓷上獲得了壓電陶瓷的電壓性。飛 躍。但與兩類鐵電體相比也有缺點。 50年代年代 美國日本先后美國日本先后 利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲 換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器等的應用研 究。 等人更優(yōu)越的PZT（鋯鈦酸鉛）壓 電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了

2、一大步。 后來后來 PLZT透明壓電陶瓷使壓電陶瓷的應用擴展到光 學領域。 迄今迄今 壓電陶瓷的應用，上至宇宙開發(fā)，下至家庭生活 極其廣泛。 一 認識壓電材料 什么是壓電材料？ 壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間 出現(xiàn)電壓的晶體材料。 壓電石英晶體材料壓電石英晶體材料換能器換能器 壓電材料的主要工程參數(shù) 1 1、壓電常數(shù)、壓電常數(shù)d d33 33 壓電常數(shù)是反映力學量（應力或應變）與電學量（電 位移或電場）間相互耦合的線性響應系數(shù)。當沿壓電陶瓷 的極化方向（z軸）施加壓應力T3時，在電極面上產(chǎn)生電 荷，則有以下關系式： 式中d33為壓電常數(shù)，足標中第一個數(shù)字指電場方向或電 極面的垂直方向，第

3、二個數(shù)字指應力或應變方向；T3為應 力；D3為電位移,它是壓電介質(zhì)把機械能（或電能）轉(zhuǎn)換 為電能（或機械能）的比例常數(shù)，反映了應力（T）、應 變（S）、電場（E）或電位移（D）之間的聯(lián)系，直接反 映了材料機電性能的耦合關系和壓電效應的強弱。 3333 TdD 2 2、機電耦合系數(shù)、機電耦合系數(shù)K Kp p 機電耦合系數(shù)K是一個綜合反映壓電陶瓷的機械能與電能之 間耦合關系的物理量，是壓電材料進行機電能量轉(zhuǎn)換能力的 反映。機電耦合系數(shù)的定義是： 轉(zhuǎn)換時輸入的總電能 得的機械能通過逆壓電效應轉(zhuǎn)換所 2 K 轉(zhuǎn)換時輸入的總機械能 得的電能通過正壓電效應轉(zhuǎn)換所 2 K 或或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、

4、大小和被覆工作電極的壓電 陶瓷體）的機械能與其形狀和振動模式有關，不同的振動模式 將有相應的機電耦合系數(shù),。 如對薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）； 薄形長片長度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）； 圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。 3 3、機械品質(zhì)因數(shù)、機械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m 壓電陶瓷在振動時，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。壓電陶瓷在振動時，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。 機械品質(zhì)因數(shù)機械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。Q Qm m越大，越大， 能量消耗越小。機械品質(zhì)因數(shù)能量消耗越小。機械品質(zhì)因數(shù)

5、Q Qm m的定義式是：的定義式是： 耗的機械能每一諧振周期振子所消 能諧振時振子儲存的機械 2 m Q )(2 22 10 2 rar a m ffCCRf f Q 其中：其中： f fr r為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率 f fa a為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率 R R為諧振頻率時的最小阻抗為諧振頻率時的最小阻抗Z Zmin min（諧振電阻） （諧振電阻） C C0 0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容 C C1 1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀

6、 六 總結(jié) 二 壓電效應 壓電效應壓電效應- -機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軝C械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?某些電介質(zhì), 當沿著一定方向一定方向?qū)?其施力而使它變形時, 其內(nèi)部就產(chǎn)生 極化現(xiàn)象, 同時在它的兩個表面上便 產(chǎn)生符號相反的電荷電荷, 當外力去掉外力去掉后, 其又重新恢復到不帶電狀態(tài)不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應壓電效應。 正壓電效應 當作用力方向改變方向改變時, 電荷的極性極性也隨之改變改變。 把這種機械能轉(zhuǎn) 為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應正壓電效應” 。 壓電傳感器大都是基于壓電材料的正壓電效應。 二 壓電效應 逆壓電效應逆壓電效應-電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 當在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加電

7、場電場，某些電介質(zhì)在一定方向一定方向上將產(chǎn) 生機械變形機械變形或機械應力，當外電場撤去外電場撤去后，變形或應力也隨之消失消失， 這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應逆壓電效應。 電致伸縮效應電致伸縮效應- - -電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 電介質(zhì)在電場的作用下會由于極化的變化而引起形變，若形變形變與 電場方向無關方向無關，這個現(xiàn)象就稱為電致伸縮效應電致伸縮效應。 F F F F 極化面極化面 Q Q 壓電介質(zhì)壓電介質(zhì) 機械能機械能 電能電能 正壓電效應正壓電效應 逆壓電效應逆壓電效應 壓電效應及可逆性壓電效應及可逆性 二 壓電效應 機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軝C械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能

8、 正壓電效應正壓電效應 逆壓電效應逆壓電效應 電致伸縮效應電致伸縮效應 縱向壓電效應 切向壓電效應 橫向壓電效應 壓壓 電電 效效 應應 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 六 總結(jié) 壓電材料分類 無機壓電材料有機壓電材料復合壓電材料 壓電陶瓷 （壓電多晶體） 壓電晶體 （壓電單晶體） 壓電陶瓷壓電性強、 介電常數(shù)高、 可以加工成任意形狀 壓電單晶壓電性弱， 介電常數(shù)很低， 受切型限制存在尺寸局 限 但機械品質(zhì)因子較低、 電損耗較大、 穩(wěn)定性差 適合于大功率換能器 和寬帶濾波器等應用 但穩(wěn)定性很高， 機械品質(zhì)因子高 作標準頻

9、率控制的振子 高選擇性以及高頻、 高溫超聲換能器等 偏聚氟乙烯 （PVDF薄膜） 柔韌，低密度，低阻抗 高壓電電壓 常數(shù)(g)等優(yōu)點 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(gòu)成的 制成水聲換能器， 具有高的 靜水壓響應速率 而且耐沖擊， 不易受損且 可用于不同的深度。 水聲超聲測量， 壓力傳感，引燃引爆 介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 在20至200 溫度范圍內(nèi)，溫度每升高1 ，壓電系數(shù)僅減少 0.016%，當溫度達到573 時（居里點），石英晶體喪失壓電特性。 各向異性的晶體，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)相差很大。 石英晶體石英晶體 以壓電晶體為例，壓電效應是

10、由于單晶受外應力時其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu) 變形，使原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)（正負電荷中心重合）被破壞而產(chǎn) 生電極化。 壓電陶瓷壓電陶瓷 極化前，各個電疇在晶體上雜亂分布，極化效應被相互抵消，原始的壓電陶瓷 內(nèi)極化強度為零； 在外電場作用下，電疇的極化方向趨向于按外電場的方向； 極化處理后，陶瓷內(nèi)部仍存在有很強的剩余極化強度。 受到壓力后，自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。受到拉力，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這 是一種具有壓電效應的材料。壓電陶瓷泛指壓電多晶體。如：鈦酸鋇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。

11、 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷的性能: 很高的壓電系數(shù)； 居里點溫度低； 有熱釋電現(xiàn)象； 穩(wěn)定性不如石英晶體； 人工制造，成本低。 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 壓電陶瓷片壓電陶瓷片 相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電 常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品 質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)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(wěn)定應用不理想。石英 等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受 切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高， 機械品質(zhì)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。 有機壓電材料 又稱

12、壓電聚合物又稱壓電聚合物，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(zhì)柔韌， 低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu) 點。 復合壓電材料復合壓電材料，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(gòu)成的。至今已在水聲、電 聲、超聲、醫(yī)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。 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 六 總結(jié) 壓電材料的應用 換能器 換能器是將機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

13、信號或 在電場驅(qū)動下產(chǎn)生機械振動的器件。利用 上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風、立體 聲耳機和高頻揚聲器。 超聲波傳感器超聲波傳感器 壓電驅(qū)動器 壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或 機械運動。 世界上最小的馬達（電機）：重36mg，長5mm，直徑1mm， 可作為人造心臟的驅(qū)動器。 原理：當給定子加上電之后，由于逆壓電效應，定子表 面就會產(chǎn)生超聲振動。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力的作 用，轉(zhuǎn)子也會跟著運動起來。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、體積小、無電磁干擾。 積層式壓電變壓器 用于筆記本電腦液晶顯示器、桌上型電腦液 晶顯示器、個人數(shù)碼助理(PDA)、數(shù)碼相機(DSC)、 數(shù)碼攝影機(DSC

14、)之冷陰極管電源模組等。 壓力傳感器 陶瓷壓力傳感器 壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類傳感器，在精密測量、 自動化控制中起著重要的作用，在航天航空、汽車、冶金、化工等領域都得 到廣泛的應用。 陶瓷質(zhì)電容式壓力傳感器是80年代中期問世的一種新型壓力傳感器，該 傳感器是利用先進的電子陶瓷技術，集成電路技術和厚膜平面安裝電路技 術，采用零力學滯后的陶瓷和陶瓷密封材料進行設計的一種干式壓力傳感器 。 同以往的壓力傳感器相比： 1、蠕變小、滯后差、反應速度快； 2、有較強的抗沖擊、抗過載能力； 3、精度高，溫度漂移??； 4、抗干擾能力強，測量重復性強； 5、耐溫、耐腐蝕性也有很大改善。 壓電式

15、平面喇叭 經(jīng)由雙簧式壓電致動器出力使基板產(chǎn)生振動從而構(gòu)成 一揚聲機制：用于移動電話、個人數(shù)碼助理(PDA) 、筆記 本電腦等之發(fā)聲模塊。 壓電材料的應用廣泛 壓電陶瓷壓電陶瓷 風扇風扇 壓電振動壓電振動 加速計加速計 壓電陶壓電陶 瓷繼電瓷繼電 器器 壓電壓電 點火器點火器 壓電式壓電式 觸屏觸屏 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷材料在手機上的應用壓電陶瓷材料在手機上的應用 一一 ，手機的結(jié)構(gòu)工藝特點，手機的結(jié)構(gòu)工藝特點 現(xiàn)在手機結(jié)構(gòu)工藝越來越復雜，結(jié)構(gòu)尺 寸越來越小，這對外殼材料提出了新的 要求。 一，手機的結(jié)構(gòu)工藝特點 三，陶瓷材料在手機上的應用 二，陶瓷材料的特點，優(yōu)勢 一一 ，手機的結(jié)構(gòu)工藝

16、特點，手機的結(jié)構(gòu)工藝特點 現(xiàn)在手機結(jié)構(gòu)工藝越來越復雜，結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，這對外殼材 料提出了新的要求。 一一 ，手機的結(jié)構(gòu)特點，手機的結(jié)構(gòu)特點 正面反面 手機的超薄要求主板器件更小，更薄，更省電。 二，陶瓷材料的特點，優(yōu)勢 力學特性： 和金屬材料相比較，陶瓷的彈性模量大，硬度高（1500HV以上），抗壓強度 高，但脆性大，抵抗裂紋擴展的能力很低。 化學性能： 陶瓷的化學性能非常穩(wěn)定，具有良好的抗氧化性和耐熱性，此外陶瓷對酸、 堿、鹽和熔融的有色金屬有較強的耐蝕性，不會發(fā)生老化。 熱性能： 陶瓷材料熔點高（2000以上），熱硬性可達1000；但陶瓷熱膨脹 系數(shù)和 導熱系數(shù)小，承受溫度快速變化的能

17、力差，在 高溫劇變時開裂。 電性能： 大多數(shù)陶瓷是電絕緣體，隨著科學技術的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了具有各種電性能 的陶瓷，如半導體陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、超導陶瓷、電光和光學陶 瓷等。 光性能： 陶瓷材料還有獨特的光學性能，可用作固體激光器材料、光導纖維材料、光 儲存器等，透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。磁性陶瓷（鐵氧體）在錄音磁 帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計算機記憶元件方面的應用有著廣泛的前途 。 三，陶瓷材料應用-納米陶瓷外殼 納米陶瓷材料應用到手機外殼的優(yōu)勢 三，陶瓷材料應用-納米陶瓷天線 在陶瓷表面進行金屬化，可應用于片式電感、 LED封裝、半導體封裝和陶瓷電子電路、汽車電子電 路等 通過該技術

18、可以在手機陶瓷蓋板上附加NFC天線RFID天線無線充電電 感線圈等功能，在不占用額外空間的情況下賦予手機新的功能。 三，陶瓷材料應用-壓電陶瓷觸摸屏 利用壓電陶瓷的機械能-電能之間的轉(zhuǎn)換原理，可以應用到手機 觸屏上，反應更靈敏，更可靠。 壓電陶瓷觸摸屏 三，陶瓷材料應用-壓電陶瓷揚聲器 利用壓電陶瓷做出的揚聲器，尺寸更小，厚度做到1mm以 下，且對音腔體積的依賴性小 傳統(tǒng)的手機揚聲 器最少3mm以上 的厚度，且要求 后音腔體積1cc 以上。 三，陶瓷材料應用-壓敏陶瓷電容 利用壓敏陶瓷特性做的電容，要求傳統(tǒng)器件向 “微”方向發(fā)展，要求：體積小，重量輕，能耗低， 性能高，易于批量生產(chǎn)，成本低，便

19、于集成化和多 功能化。 壓電材料 一 認識壓電材料 二 壓電效應 三 壓電材料的分類 四 壓電材料的應用 五 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 六 總結(jié) 壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀 細晶粒壓電陶瓷 PbTiO3系壓電材料 壓電陶瓷-高聚物復合材料 壓電性特異的多元單晶壓電體 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，。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(qū)動 電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是 有益的。減小粒徑有好處，但同時也帶來 了降低壓電效應的影響。 為

20、了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)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?shù)乃健，F(xiàn)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 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(yōu)越性。隨著納 米技術的發(fā)展，細晶粒壓電陶瓷材料研究 和應用開發(fā)仍是近期的熱點。 PbTiO3系壓電陶瓷 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(chǎn)品難的問題， 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。