壓電材料力學(xué)性能

材料力學(xué)性能演講主題：壓電材料的應(yīng)用學(xué)院：動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院班級(jí)：08級(jí)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(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，壓電材料由此被人所關(guān)注。當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí),就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類(lèi)壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶(hù)按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓,進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?。于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。再比如我們經(jīng)?？吹降拇蚧饳C(jī)也是由一塊壓電材料來(lái)引燃的。那么，什么是壓電效應(yīng)呢？壓電效應(yīng)反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合，其分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，只是由于應(yīng)變或應(yīng)力，在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電晶體上加一電場(chǎng)時(shí)，晶體不僅要產(chǎn)生極化，還要產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力。這種由電場(chǎng)產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱(chēng)性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。利用壓電材料的這些特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)（聲波）和交流電的互相轉(zhuǎn)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(cè)量元件以及電聲傳感器等。壓電材料的發(fā)展

第一階段：從發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)之年（188O年）起至第一次世界大戰(zhàn)間，壓電效應(yīng)并未引起人們足夠重視，故壓電材料實(shí)際上尚未進(jìn)入實(shí)用階段。第二階段：第一次世界大戰(zhàn)（1914—l915）到第二次世界大戰(zhàn)（1940－1945）期間，受到戰(zhàn)爭(zhēng)的刺激，人們才真正重視起壓電材料的研究。1916年郎之萬(wàn)（Langevin）用壓電石英晶體作成水下發(fā)射和接收的換能器，并用回波法探測(cè)沉船和海底。1921年相繼研制成功石英譜振器和濾波器，開(kāi)創(chuàng)了壓電晶體在頻率控制和通訊方面的應(yīng)用。在1942－1943年期間，蘇聯(lián)、美國(guó)和日本幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了BaTiO3，這是在此期間的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。第三階段：從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后到六十年代，是壓電材料及壓電理論發(fā)展的最有成效的時(shí)期，其中，1947年首次發(fā)表的關(guān)于經(jīng)極化的BaTiO3陶瓷壓電性及其應(yīng)用，具有劃時(shí)代的意義。目前，生物壓電學(xué)已經(jīng)興起且已經(jīng)取得了不少進(jìn)展，對(duì)生物（包括人體組織）壓電性的研究，甚至對(duì)控制生物生長(zhǎng)、揭示生理功能秘密都具有重大科學(xué)意義。壓電材料的種類(lèi)自40年代中期出現(xiàn)了BaTiO3陶瓷以后，壓電陶瓷的發(fā)展較快。兩個(gè)分支：一是晶體和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子聚合物）。⑴鈦酸鋇：機(jī)電耦合系數(shù)較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有較大的工作溫度范圍因而應(yīng)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(yīng)用。⑵鈦酸鉛：結(jié)構(gòu)與鈦酸鋇相類(lèi)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。⑶鋯酸鉛：為反鐵電體，具有雙電滯回線(xiàn)。⑷鋯鈦酸鉛（PZT）：為二元系壓電陶瓷，該壓電陶瓷在四方晶相（富鈦邊）和菱形晶相（富鋯一邊）的相界附近，其耦合系數(shù)和介電常數(shù)是最高的。⑸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(dǎo)體薄膜也得到了研究與發(fā)展，70年代以來(lái)，為了滿(mǎn)足光電子學(xué)發(fā)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(dú)有的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，可以很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，是一種非常有價(jià)值的新型材料，可以說(shuō)自從該材料被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始就被眾人所關(guān)注，壓電材料在生活生產(chǎn)中起到了巨大的作用。目前研究的最多、最具應(yīng)用前景的小型發(fā)電裝置是利用電磁和壓電原理制作的。壓電材料的應(yīng)用壓電材料的妙用壓電發(fā)電鞋壓電發(fā)電鞋的原理就是把發(fā)電裝置植入鞋底。通過(guò)走路時(shí)腳對(duì)鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產(chǎn)生電荷，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管而發(fā)光。壓電式袖珍風(fēng)車(chē)美國(guó)德克薩斯州大學(xué)的電子工程師沙善克普罩亞發(fā)明了一種可以為無(wú)線(xiàn)嘲絡(luò)供電的袖珍風(fēng)車(chē)，這種風(fēng)車(chē)周長(zhǎng)大約10cm，它附在一個(gè)旋轉(zhuǎn)凸輪上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)可使一系列壓電晶體不斷伸縮。當(dāng)壓電材料被擠壓或伸展時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電能。時(shí)速為16Km的微風(fēng)便可以產(chǎn)生7．5mW的持續(xù)電能，這足以保證一個(gè)電子傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以為完整的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。與利用風(fēng)力渦輪機(jī)為電網(wǎng)供電的常規(guī)發(fā)電機(jī)相比。一個(gè)壓電發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到18%。肌肉壓電發(fā)電系統(tǒng)美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院路瓦德斯基等人提出依靠肌肉的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力的壓電發(fā)電系統(tǒng)。。經(jīng)模擬，該發(fā)電機(jī)可以提供690uW的電能。該機(jī)構(gòu)可用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)置于人體中的醫(yī)療機(jī)械，市場(chǎng)前景廣闊。人工耳蝸感音神經(jīng)性耳聾絕大部分源于內(nèi)耳毛細(xì)胞的損傷，導(dǎo)致不能將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)．然而聲音傳入通道保持暢通，而且聽(tīng)神經(jīng)的神經(jīng)纖維仍有相當(dāng)數(shù)量存活，僅僅是不能進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換從而導(dǎo)致了病人不能獲得正常聽(tīng)力。為了提高聾耳的聽(tīng)力，將壓電材料植入到耳蝸內(nèi)，利用壓電效應(yīng)直接將聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)刺激聽(tīng)神經(jīng)，以提高聽(tīng)力。近些年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步、生活水平的不斷提高，人們的健康觀念及保護(hù)健康的方式和途徑都發(fā)生了深刻的變化，家庭醫(yī)療就是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需要，將當(dāng)代高新技術(shù)與臨床醫(yī)療相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為當(dāng)今世界醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。家庭醫(yī)療實(shí)現(xiàn)醫(yī)療進(jìn)入家庭，可以在家中對(duì)病人實(shí)施診斷、治療、康復(fù)和保健。家庭醫(yī)療符合現(xiàn)代社會(huì)日益老齡化、醫(yī)療費(fèi)用日益高漲以及人們對(duì)身體健康標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的趨勢(shì)，同時(shí)家庭醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)化可以提高邊遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療水平。因此，家庭醫(yī)療的發(fā)展具有強(qiáng)大的生命力。同時(shí)，隨著我國(guó)人口老齡化的加劇，心臟疾病的患病率也越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有1億以上的人患有高血壓，每年大約有75萬(wàn)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(shì)。臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于心臟疾病的防治，最有效的手段就是預(yù)防和保健，在對(duì)心臟病患者進(jìn)行經(jīng)常性監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，盡早發(fā)現(xiàn)異常病變情況，及時(shí)進(jìn)行治療，以控制病情的進(jìn)一步發(fā)展。心電圖作為一種無(wú)創(chuàng)傷檢查手段，經(jīng)過(guò)大量的臨床研究，證明對(duì)心臟肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有決定性的診斷價(jià)值，對(duì)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(jī)記錄的心臟每一心動(dòng)周期電活動(dòng)變化的曲線(xiàn)圖形）是心臟病診斷的重要依據(jù)。圖2.1正