電致和磁致伸縮材料的功能

電致和磁致伸縮材料的功能1電致材料1.1電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)是一種機電禍合效應(yīng)它是指當外電場作用于電介質(zhì)上時，所產(chǎn)生的應(yīng)變正比于電場強度或極化強度的平方的現(xiàn)象由于電致伸縮效應(yīng)引起的應(yīng)變與外加電場的方向無關(guān)，所以一般固體電介質(zhì)都能產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)。1.2電致伸縮材料電致伸縮效應(yīng)在一切固體電介質(zhì)中都有，但其大小不同因為應(yīng)變正比于介電常數(shù)的平方，所以鐵電體在其相變溫度附近應(yīng)該有較大的應(yīng)變從應(yīng)用上看，要求加一個不太強的電場，能夠產(chǎn)生足夠大的應(yīng)變，而且應(yīng)變與電場的關(guān)系沒有滯后，重復(fù)性好，同時還要求溫度效應(yīng)小為此，應(yīng)該選擇介電常數(shù)大并屬于擴散相變的材料此外還要求平均居里溫度在室溫以下，接近室溫，擴散區(qū)較長目前，大部分鐵電體及一些非鐵電體如石英、堿鹵品體等材料的電致伸縮系數(shù)都已經(jīng)測量到了，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)顯著的材料有：鈮鎂酸鉛一欽酸鉛固溶體（PMN-PT），鈮鎂酸鉛一欽酸鉛一鈮鋅酸鋇固溶體（PMN-PT-BNZ），摻鋇的錯欽酸鉛（Ba『ZT）,摻翻的鋯酸鉛（La『ZT）。1.3電致伸縮材料的發(fā)展方向一、多元化壓電陶瓷按其所組成的固溶體的化合物成分構(gòu)成可分為一元系壓電陶瓷，如鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦酸鉛（PbTiO「和偏鈮酸鉛（Pb（NbO3）2）等;二元系壓電陶瓷,如目前使用最多的鋯鈦酸鉛（xPbZrO」（1-x）PbTiO3或Pb（ZrTii-xO3））,這是目前使用最為廣泛的PZT系列壓電陶瓷;三元系及多元系壓電陶瓷，通常是在具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的PZT二元系中再加入第三種或第四種化學(xué)通式為ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶體，以獲得所需要的寬性能調(diào)節(jié)范圍，得到不同性能參數(shù)的壓電陶瓷，以滿足不同的市場需求。與PZT壓電陶瓷相比，三元系或多元系壓電陶瓷的燒結(jié)性能良好，不但燒成溫度范圍寬，而且PbO揮發(fā)也少，陶瓷的工藝重現(xiàn)性好，易獲得氣孔率少的致密陶瓷體，可獲得具有高機械強度和電氣性能，及在某些方面有顯著特點的壓電陶瓷。因此多元系壓電陶瓷已成為眾多研究機構(gòu)開發(fā)熱點之一，已開發(fā)的品種可達幾十種,可見其發(fā)展之迅速。目前，我國廣東佛陶集團在開發(fā)PZN-PNN-PZT體系多元系壓電陶瓷方面已取得很大進展。二、 精細化采用微細粉制備壓電鐵電陶瓷，可極大地提高其各方面的機械性能和電氣性能。近幾年來，許多國家都在積極開展高技術(shù)陶瓷及其粉體工藝的研究和生產(chǎn)。高技術(shù)陶瓷在日本被稱為精細陶瓷，是繼金屬和塑料之后的第三代新材料。據(jù)商業(yè)通訊公司（BBC）的統(tǒng)計，美國1994的精細陶瓷市場值達6184億美元。而日本是精細陶瓷的研究和生產(chǎn)大國，市場應(yīng)該比美國更為巨大，我國政府把精細陶瓷列為國家陶瓷材料發(fā)展的重點項目之一。影響我國陶瓷發(fā)展的重要因素之一是粉體的生產(chǎn)加工落后，體現(xiàn)在專用粉體生產(chǎn)缺乏，產(chǎn)量低，質(zhì)量穩(wěn)定性差，這是我國精細陶瓷業(yè)發(fā)展的一個“瓶頸”。目前，這種狀況已有所改善，國內(nèi)近幾年已有幾家大型粉料專業(yè)生產(chǎn)廠建成投產(chǎn)，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭很猛。但電子陶瓷特別是敏感元件所需粉體的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)仍很缺乏。三、 單品化單品壓電體因其特殊的組織結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出與多晶體很大的材料性能方面的差別。最初的單品壓電體SiQ、LiNbq、LiTaOF廣泛應(yīng)用于振蕩器、聲表面波器件等領(lǐng)域，但與PZT陶瓷相比，這些單品體的壓電性能較差，難有更廣泛的應(yīng)用。1997年美國濱州大學(xué)和TRS公司的Seung2EekPark等人研制PMN-PT和PZN-PT單品,這些單晶體表現(xiàn)出優(yōu)異性能，引起了該領(lǐng)域的強烈震動，被稱為“鐵電材料的一次激動人心的突破”，國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《SCIENCE》作了特別報道，人們的注意力紛紛轉(zhuǎn)向此類具有重要實用意義及巨大市場前景的新材料。我國上海硅酸鹽所用改進的Brideman法生長的新型弛豫型鐵電完整單品PMNT尺寸達到直徑40mmX80mm，其中PMNT67/33單晶的應(yīng)力5300,介質(zhì)損耗小于0.16%，其機電耦合因數(shù)k達0164。單品壓電體具有十分優(yōu)異的壓電性及電致伸縮性，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的PZT及PZNT陶瓷。該品體在電聲轉(zhuǎn)換應(yīng)用中可使醫(yī)用超聲傳感器及海軍聲納傳感器的帶寬顯著加寬、分辨率大為提高。它們也可用作新型復(fù)合裝甲的超聲無損檢測及空調(diào)、汽車飛機等的振動控制。四、 微膜化微機電系統(tǒng)是一個應(yīng)用前景廣闊的新興技術(shù)領(lǐng)域，而微驅(qū)動器是微機電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的壓電材料及工藝因受到尺寸的限制，很難適應(yīng)電子器件向微型化和集成化方向發(fā)展的要求。近年來，低溫沉積PZT薄膜已成現(xiàn)實，利用其壓電特性已制作出各種微型傳感器、微型驅(qū)動器，其中壓電微電機作為一種新型微驅(qū)動器在醫(yī)用微器械、微型精密定位、微型機器人等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。許多薄膜制備工藝都可用于制備壓電薄膜，從目前報道的文獻來看,濺射法、溶膠-凝膠法和水熱法是用于這一目的的3種主要方法。濺射法獲得的薄膜，其結(jié)構(gòu)與性能受濺射時的氣壓、襯底溫變、氣體流量、濺射功率等因素的影響較大、溶膠-凝膠法已廣泛用于制備各種壓電薄膜，其制備大于10pm的厚膜較困難。水熱法制作大心m的厚膜較容易,水熱法制作PZT厚膜時，用pb(NO3)2ZrOCl2和KOH為原料，以Ti作襯底,PZT膜的Ti由襯底提供，把這些材料放在高壓釜中，160C反應(yīng)48h,氣壓為607Pa和950Pa,并使高壓釜旋轉(zhuǎn),可獲得無針孔的PZT壓電薄膜。五、 綠色化傳統(tǒng)的壓電鐵電陶瓷，大多是含鉛陶瓷，其中氧化鉛(或四氧化三鉛)約占原料總質(zhì)量的70%。含鉛壓電鐵電陶瓷在制備、使用過程中，都會給環(huán)境和人類帶來損害。因此，發(fā)展非鉛基的環(huán)境協(xié)調(diào)性的壓電鐵電陶瓷,具有重大實用意義。日本、法國、俄羅斯、中國以及韓國的科技工作者，都在抓緊研究非鉛基壓電鐵電陶瓷材料上前,可選擇的非鉛基壓電鐵電陶瓷體系主要有：以BaTiq與BaMq或K(Nb,Ta)O3組成的二元系陶瓷；以NaNbO3與A2+NbO6或B2+TiO3組成的二元系陶瓷;(Ba1/2N(1/2))TiO3(BNT)與鈦酸鹽或鈮酸鹽組成的二元系；根據(jù)Semolensky原則，結(jié)合工藝改性和摻雜，選擇新的陶瓷材料體系。隨著人們生態(tài)環(huán)境保護意識的提高和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，環(huán)境協(xié)調(diào)型壓電鐵電陶瓷的研究必將進一步深入。發(fā)展性能良好的非鉛基壓電鐵電陶瓷，將是壓電鐵電陶瓷的一次革命。然而,目前已取得的進展離人們的要求相距甚遠，非鉛基壓電鐵電陶瓷的實用化，仍有待陶瓷材料科學(xué)家和相關(guān)科技人員的不懈努力。2磁致伸縮材料2.1磁致伸縮效應(yīng)所謂磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)(磁性材料)由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方

向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會導(dǎo)致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。2.2磁致伸縮材料自從發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)后，人們就一直想利用這一物理效應(yīng)來制造有用的功能器件與設(shè)備。為此人們研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：艮即磁致伸縮的金屬與合金，如竦和金煤（Ni）基合金（Ni，Ni-Co合金，Ni-Co-Cr合金）和鐵基合金（如Fe—Ni合金，F(xiàn)e-Al合金，F(xiàn)e-Co-V合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料，如Ni-Co和Ni-Co-Cu鐵氧體材料等。這兩種稱為傳統(tǒng)磁致伸縮材料，其入值（在20—80ppm之間）過小，它們沒有得到推廣應(yīng)用，后來人們發(fā)現(xiàn)了電致伸縮材料，如（Pb，Zr，Ti）C03材料，（簡稱為PZT或稱壓電陶瓷材料），其電致伸縮系數(shù)比金屬與合金的大約200—400ppm，它很快得到廣泛應(yīng)用；第三大類是近期發(fā)展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，例如以（Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金Tbo0.3Dy0.7Fe1.95材料（下面簡稱Tb-Dy—Fe材料）的入達到1500?2000ppm，比前兩類材料的入大1~2個數(shù)量級，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。特點和傳統(tǒng)超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸縮材料是佼佼者，它具有下列優(yōu)點：磁致伸縮應(yīng)變?nèi)氡燃僋i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比純Ni和Ni-Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸縮應(yīng)變時產(chǎn)生的推力很大，直徑約？l0mm的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸縮時產(chǎn)生約200公斤的推力：能量轉(zhuǎn)換效率（用機電耦合系數(shù)K33表示）高達70%，而Ni基合金僅有16%，PZT材料僅有40~60%；其彈性模量隨磁場而變化，可調(diào)控；響應(yīng)時間（由施加磁場到產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變?nèi)胨璧臅r間稱響應(yīng)時間）僅百萬分之一秒，比人的思維還快；頻率特性好，可在

低頻率（幾十至1000赫茲）下工作，工作頻帶寬；穩(wěn)定性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化，無疲勞，無過熱失效問題。技術(shù)上的應(yīng)用由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉(zhuǎn)換成機械能或聲能（或機械位移信息或聲信息），相反也可以將機械能（或機械位移與信息）。轉(zhuǎn)換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機翼、機器人、自動化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門、泵、波動采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。海洋占地球面積的70%，海洋是人類生命的源泉，但是人類對海洋的大部分還缺乏了解。21世紀是海洋世紀，人類的生活、科學(xué)實驗和資源的獲及將逐漸的從山陸地轉(zhuǎn)移到海洋。而艦艇水下移動通訊、海水溫度、海流、海底地形地貌的探測就需要聲納系統(tǒng)。聲納是一個龐大的系統(tǒng)，它包括聲發(fā)射系統(tǒng)，反射聲的接收系統(tǒng)，將回聲信息轉(zhuǎn)變成電信息與圖像，以及圖像識別系統(tǒng)等。其中聲發(fā)射系統(tǒng)中的水聲發(fā)射換能器及其材料是關(guān)鍵技術(shù)之一。過去聲納的水聲發(fā)射換能器主要用壓電陶瓷材料（PZT）來制造。這種材料制造的水聲換能器的頻率高（20kHz以上），同時發(fā)射功率小，體積大，笨重。另外隨艦艇隱身技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代艦艇可吸收頻率在3.0kHz以上的聲波，起到隱身的作用。各工業(yè)發(fā)達國家都正在大力發(fā)展低頻（頻率為幾十至2000赫茲），大功率（聲源級約220dB）的聲納用或水聲對抗用發(fā)射水聲換能器，并已用于裝備海軍。低頻可打破敵方艦艇的隱身技術(shù)，大功率可探測更遠距離的目標，同時體積小，重量輕，可提高艦艇的作戰(zhàn)能力。低頻大功率是聲納用和水聲對抗用發(fā)射水聲換能器今后的發(fā)展方向。而制造低頻大功率水聲發(fā)射換能器的關(guān)鍵材料是稀土超磁致伸縮材料。發(fā)展稀土超磁致伸縮材料對發(fā)展聲納技術(shù)、水聲對抗技術(shù)、海洋開發(fā)與探測技術(shù)將起到關(guān)鍵性作用。日本已用稀土超磁致伸縮材料來制造海洋聲學(xué)斷層分析系統(tǒng)OAT（OceanAcousticTopography）和海洋氣候聲學(xué)溫度測量系統(tǒng)ATOC（TheAcoustic

ThermometryofOceanclimate）的水聲發(fā)射換能器，其信號可發(fā)射到1000km的范圍，可用于測量海水溫度和海流的分布圖。應(yīng)用稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術(shù)方面也有廣闊的應(yīng)用前景。例如用該材料可制造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來制造。它僅能制造小功率（忍2.0kW）的超聲波換能器，國外已用稀土超磁致伸縮材料來制造出超大功率（6—25kW）的超聲波換能器。超大功率超聲波技術(shù)可產(chǎn)生低功率超聲技術(shù)所不能產(chǎn)生的新物理效應(yīng)和新的用途，如它可使廢舊輪胎脫硫再生，可使農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)，可加速化工過程的化學(xué)反應(yīng)。有重大的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益；用該材料制造的電聲換能器，可用于波動采油，可提高油井的產(chǎn)油量達20%~100%，可促進石油工業(yè)的發(fā)展；用該材料制造的薄型（平板型）喇叭，振動力大，音質(zhì)好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振動和發(fā)音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。此外，用該材料可制造反噪聲與噪聲控制，反振動與振動控制系統(tǒng)。將一個咖啡杯