材料物理-压电ppt

1、压电材料 张洋 20111340149 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状 六 总结 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状 六 总结 一 认识压电材料 1942年年 在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电压性。飞 跃。但与两类铁电体相比也有缺点。 50年代年代 美国日本先后美国日本先后 利用BaTiO3压电陶瓷制作超声 换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用研 究。 等人更优越的PZT（锆钛酸铅）压 电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了

2、一大步。 后来后来 PLZT透明压电陶瓷使压电陶瓷的应用扩展到光 学领域。 迄今迄今 压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活 极其广泛。 一 认识压电材料 什么是压电材料？ 压电材料是受到压力作用时会在两端面间 出现电压的晶体材料。 压电石英晶体材料压电石英晶体材料换能器换能器 压电材料的主要工程参数 1 1、压电常数、压电常数d d33 33 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电 位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷 的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电 荷，则有以下关系式： 式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电 极面的垂直方向，第

3、二个数字指应力或应变方向；T3为应 力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换 为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应 变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反 映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。 3333 TdD 2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之 间耦合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的 反映。机电耦合系数的定义是： 转换时输入的总电能 得的机械能通过逆压电效应转换所 2 K 转换时输入的总机械能 得的电能通过正压电效应转换所 2 K 或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、

4、大小和被覆工作电极的压电 陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式 将有相应的机电耦合系数,。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。 3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。 机械品质因数机械品质因数Q Qm m是反映能量消耗大小的一个参数。是反映能量消耗大小的一个参数。Q Qm m越大，越大， 能量消耗越小。机械品质因数能量消耗越小。机械品质因数

5、Q Qm m的定义式是：的定义式是： 耗的机械能每一谐振周期振子所消 能谐振时振子储存的机械 2 m Q )(2 22 10 2 rar a m ffCCRf f Q 其中：其中： f fr r为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率 f fa a为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率 R R为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Z Zmin min（谐振电阻） （谐振电阻） C C0 0为压电振子的静电容为压电振子的静电容 C C1 1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状

6、 六 总结 二 压电效应 压电效应压电效应- -机械能转变为电能机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向一定方向对 其施力而使它变形时, 其内部就产生 极化现象, 同时在它的两个表面上便 产生符号相反的电荷电荷, 当外力去掉外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态不带电状态， 这种现象称压电效应压电效应。 正压电效应 当作用力方向改变方向改变时, 电荷的极性极性也随之改变改变。 把这种机械能转 为电能的现象, 称为“正压电效应正压电效应” 。 压电传感器大都是基于压电材料的正压电效应。 二 压电效应 逆压电效应逆压电效应-电能转变为机械能电能转变为机械能 当在电介质的极化方向极化方向施加电

7、场电场，某些电介质在一定方向一定方向上将产 生机械变形机械变形或机械应力，当外电场撤去外电场撤去后，变形或应力也随之消失消失， 这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应。 电致伸缩效应电致伸缩效应- - -电能转变为机械能电能转变为机械能 电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变形变与 电场方向无关方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应电致伸缩效应。 F F F F 极化面极化面 Q Q 压电介质压电介质 机械能机械能 电能电能 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 压电效应及可逆性压电效应及可逆性 二 压电效应 机械能转变为电能机械能转变为电能 电能转变为机械能电能转变为机械能

8、 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 电致伸缩效应电致伸缩效应 纵向压电效应 切向压电效应 横向压电效应 压压 电电 效效 应应 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状 六 总结 压电材料分类 无机压电材料有机压电材料复合压电材料 压电陶瓷 （压电多晶体） 压电晶体 （压电单晶体） 压电陶瓷压电性强、 介电常数高、 可以加工成任意形状 压电单晶压电性弱， 介电常数很低， 受切型限制存在尺寸局 限 但机械品质因子较低、 电损耗较大、 稳定性差 适合于大功率换能器 和宽带滤波器等应用 但稳定性很高， 机械品质因子高 作标准频

9、率控制的振子 高选择性以及高频、 高温超声换能器等 偏聚氟乙烯 （PVDF薄膜） 柔韧，低密度，低阻抗 高压电电压 常数(g)等优点 在有机聚合物基底材料中 嵌入片状、棒状、杆状、 或粉末状压电材料构成的 制成水声换能器， 具有高的 静水压响应速率 而且耐冲击， 不易受损且 可用于不同的深度。 水声超声测量， 压力传感，引燃引爆 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20至200 温度范围内，温度每升高1 ，压电系数仅减少 0.016%，当温度达到573 时（居里点），石英晶体丧失压电特性。 各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。 石英晶体石英晶体 以压电晶体为例，压电效应是

10、由于单晶受外应力时其内部晶格结构 变形，使原来宏观表现的电中性状态（正负电荷中心重合）被破坏而产 生电极化。 压电陶瓷压电陶瓷 极化前，各个电畴在晶体上杂乱分布，极化效应被相互抵消，原始的压电陶瓷 内极化强度为零； 在外电场作用下，电畴的极化方向趋向于按外电场的方向； 极化处理后，陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度。 受到压力后，自由电荷过剩出现放电现象。受到拉力，出现充电现象。 一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这 是一种具有压电效应的材料。压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆钛 酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。

11、 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷的性能: 很高的压电系数； 居里点温度低； 有热释电现象； 稳定性不如石英晶体； 人工制造，成本低。 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 压电陶瓷片压电陶瓷片 相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电 常数高、可以加工成任意形状，但机械品 质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因 而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应 用，但对高频、高稳定应用不理想。石英 等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受 切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高， 机械品质因子高，多用来作标准频率控制 的振子、高选择性（多属高频狭带通）的 滤波器以及高频、高温超声换能器等。 有机压电材料 又称

12、压电聚合物又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF） （薄膜）及其它为代表的其他有机压电 （薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧， 低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优 点。 复合压电材料复合压电材料，这类材料是在有机聚合物 基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉 末状压电材料构成的。至今已在水声、电 声、超声、医学等领域得到广泛的应用。 如果它制成水声换能器，不仅具有高的静 水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且 可用与不同的深度。 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状 六 总结 压电材料的应用 换能器 换能器是将机械振动转变为电

13、信号或 在电场驱动下产生机械振动的器件。利用 上述原理可生产电声器件如麦克风、立体 声耳机和高频扬声器。 超声波传感器超声波传感器 压电驱动器 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或 机械运动。 世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径1mm， 可作为人造心脏的驱动器。 原理：当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表 面就会产生超声振动。由于定子和转子之间的摩擦力的作 用，转子也会跟着运动起来。 优点：结构简单、启动快、体积小、无电磁干扰。 积层式压电变压器 用于笔记本电脑液晶显示器、桌上型电脑液 晶显示器、个人数码助理(PDA)、数码相机(DSC)、 数码摄影机(DSC

14、)之冷阴极管电源模组等。 压力传感器 陶瓷压力传感器 压力传感器是我国传感器系统中应用最广的一类传感器，在精密测量、 自动化控制中起着重要的作用，在航天航空、汽车、冶金、化工等领域都得 到广泛的应用。 陶瓷质电容式压力传感器是80年代中期问世的一种新型压力传感器，该 传感器是利用先进的电子陶瓷技术，集成电路技术和厚膜平面安装电路技 术，采用零力学滞后的陶瓷和陶瓷密封材料进行设计的一种干式压力传感器 。 同以往的压力传感器相比： 1、蠕变小、滞后差、反应速度快； 2、有较强的抗冲击、抗过载能力； 3、精度高，温度漂移小； 4、抗干扰能力强，测量重复性强； 5、耐温、耐腐蚀性也有很大改善。 压电式

15、平面喇叭 经由双簧式压电致动器出力使基板产生振动从而构成 一扬声机制：用于移动电话、个人数码助理(PDA) 、笔记 本电脑等之发声模块。 压电材料的应用广泛 压电陶瓷压电陶瓷 风扇风扇 压电振动压电振动 加速计加速计 压电陶压电陶 瓷继电瓷继电 器器 压电压电 点火器点火器 压电式压电式 触屏触屏 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷材料在手机上的应用压电陶瓷材料在手机上的应用 一一 ，手机的结构工艺特点，手机的结构工艺特点 现在手机结构工艺越来越复杂，结构尺 寸越来越小，这对外壳材料提出了新的 要求。 一，手机的结构工艺特点 三，陶瓷材料在手机上的应用 二，陶瓷材料的特点，优势 一一 ，手机的结构工艺

16、特点，手机的结构工艺特点 现在手机结构工艺越来越复杂，结构尺寸越来越小，这对外壳材 料提出了新的要求。 一一 ，手机的结构特点，手机的结构特点 正面反面 手机的超薄要求主板器件更小，更薄，更省电。 二，陶瓷材料的特点，优势 力学特性： 和金属材料相比较，陶瓷的弹性模量大，硬度高（1500HV以上），抗压强度 高，但脆性大，抵抗裂纹扩展的能力很低。 化学性能： 陶瓷的化学性能非常稳定，具有良好的抗氧化性和耐热性，此外陶瓷对酸、 碱、盐和熔融的有色金属有较强的耐蚀性，不会发生老化。 热性能： 陶瓷材料熔点高（2000以上），热硬性可达1000；但陶瓷热膨胀 系数和 导热系数小，承受温度快速变化的能

17、力差，在 高温剧变时开裂。 电性能： 大多数陶瓷是电绝缘体，随着科学技术的发展，已经出现了具有各种电性能 的陶瓷，如半导体陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、超导陶瓷、电光和光学陶 瓷等。 光性能： 陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光 储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体）在录音磁 带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途 。 三，陶瓷材料应用-纳米陶瓷外壳 纳米陶瓷材料应用到手机外壳的优势 三，陶瓷材料应用-纳米陶瓷天线 在陶瓷表面进行金属化，可应用于片式电感、 LED封装、半导体封装和陶瓷电子电路、汽车电子电 路等 通过该技术

18、可以在手机陶瓷盖板上附加NFC天线RFID天线无线充电电 感线圈等功能，在不占用额外空间的情况下赋予手机新的功能。 三，陶瓷材料应用-压电陶瓷触摸屏 利用压电陶瓷的机械能-电能之间的转换原理，可以应用到手机 触屏上，反应更灵敏，更可靠。 压电陶瓷触摸屏 三，陶瓷材料应用-压电陶瓷扬声器 利用压电陶瓷做出的扬声器，尺寸更小，厚度做到1mm以 下，且对音腔体积的依赖性小 传统的手机扬声 器最少3mm以上 的厚度，且要求 后音腔体积1cc 以上。 三，陶瓷材料应用-压敏陶瓷电容 利用压敏陶瓷特性做的电容，要求传统器件向 “微”方向发展，要求：体积小，重量轻，能耗低， 性能高，易于批量生产，成本低，便

19、于集成化和多 功能化。 压电材料 一 认识压电材料 二 压电效应 三 压电材料的分类 四 压电材料的应用 五 压电材料的发展现状 六 总结 压电材料的发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体 细晶粒压电陶瓷 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的 多畴晶粒组成的多晶材料，。减小粒径至 亚微米级，可以改进材料的加工性，可将 基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换 能器阵列的损耗，提高器件的机械强度， 减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动 电压，这对提高叠层变压器、制动器都是 有益的。减小粒径有好处，但同时也带来 了降低压电效应的影响。 为

20、了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂 工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到 与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作 细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。 近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切 割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、 微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚）， 证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究 和应用开发仍是近期的热点。 PbTiO3系压电陶瓷 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温 压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成 难、极化难、制作大尺寸产品难的问题， 抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、 各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改 良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高 频器件方面得到了广泛应用。