压电材料的研究发展

null压电以及压电材料的现状应用以及展望压电以及压电材料的现状应用以及展望刘彦峰 10721225目 录目 录一：压电材料分类 二：压电材料简要发展历史 三：压电材料的功能应用和实际应用 四：压电陶瓷—信息时代的新型材料 五：目前国内外压电材料的开发和研究热点一：压电材料分类一：压电材料分类压电材料分为有机压电材料和无机压电材料两大类。 无机压电材料 无机压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。 null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。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 null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。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。 有机压电材料有机压电材料又称压电聚合物，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)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。复合压电材料复合压电材料第三类是复合压电材料，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。 null，我们可以将压电材料分为以下六类： (1)单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等； (2)陶瓷材料，如锆钛酸材料、钛酸铅材料； (3)压电半导体材料，如氧化锌等； (4)高分子聚合物，如聚偏二氟乙烯等； (5)复合材料，如PZT/ 聚合物、PT/ 聚合物等； (6)玻璃陶瓷，如Li2Si2O5、Ba2TiSiO6 等。二：压电材料简要发展历史二：压电材料简要发展历史1，1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。 2，1921 年，J.Valasek 发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。null3，1941-1949 年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。 4，1947 年S.Robert 发现BaTiO3 的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。 5，1954 年美国的Jaffe 等发现锆钛酸铅（PZT） 陶瓷的具有良好的压电性能。 6，在以后的30 年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。 7，20 世纪70 年代末，科学家成功研制出了压电复合材料。null8，20 世纪80 年代研制开发出了玻璃陶瓷。 9，20 世纪90 年代初，美国宾州州立大学在实验室成功地研制出了新型的弛豫铁电单晶PMNT 和PZNT，其应变量为PZT 陶瓷的10 倍以上。 三：压电材料的功能应用 和实际应用三：压电材料的功能应用 和实际应用压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。 换能器换能器换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。 压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，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。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。 null压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 null压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。 传感器上的应用传感器上的应用压电式压力传感器 压电式加速度传感器在机器人接近觉中的应用在机器人接近觉中的应用机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。 null它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 null压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。 四，压电陶瓷——信息时代的新型材料四，压电陶瓷——信息时代的新型材料压电陶瓷，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。 压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器，就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之产生十几kV的高电压，从而产生火花放电，达到点火的目的。 null压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的：差不多十年之后，贾菲（Jaffe）等又发现了PbTi03-PbZrO2系（即所谓PZT系）及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。特别是三元系压电陶瓷的出现，使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地，能满足多种电子仪器的要求，从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了。例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器，电声换能器，水声换能器，声表的波器件，电光器件，红外探测器件和压电陀螺等，都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。 nullnull利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。 null如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中，成为信息时代的多面手。 在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。 null在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。 null在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。 在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏。还有电视机里的变压器——电压陶瓷变压器，它体积变小、重量减轻，效率可达60%～80%，能耐住3万伏的高压，使电压保持稳定，完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管，使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。 九：压电材料国内外主要研究和开发的热点九：压电材料国内外主要研究和开发的热点目前压电材料国内外主要研究和开发的热点是： 1 弛豫型铁电单晶 2 压电复合材料 3 高居里温度压电陶瓷 4 三元及多元系压电陶瓷 5 压电薄膜 6 细晶粒压电陶瓷 7 无铅压电陶瓷1 弛豫型铁电单晶1 弛豫型铁电单晶据美国国防部海军研究办公室(ONR) 估计，新型压电单晶不仅在医用超声设备中每年可以直接产生20 亿元的效益，而且在声纳系统中的水声换能器中有非常重要的应用。 弛豫型铁电单晶材料具有高的d33、g33、k33、ε33T 和较低的电损耗，可用于高效率发射和高灵敏度接收水声换能器，可以大大提高水听器和鱼雷探测器的探测距离，提高国家的国防能力，另外他还可以应用在大应变的驱动器、微位移器、机器人等场合2 压电复合材料2 压电复合材料压电复合材料有如下发展趋势： 1）开发连接类型：按压电陶瓷相和聚合物相在复合材料中的分布状态，可将压电复合材料分成10 种连接类型。 2）改进成型工艺：成型工艺直接影响压电复合材料的性能，所以探索新工艺是压电复合材料研究的一个重要方面。3 高居里温度压电陶瓷3 高居里温度压电陶瓷原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等许多工业和科研部门迫切需要能够在更高的温度下工作的电子设备。，PZT 基压电陶瓷的Tc 一般为300 ～ 360 ℃，不能满足某些应用的需要，研制一些具有优良压电性高居里温度Tc 的压电陶瓷成为研究的热点。 3.1 BiScO3- PbTiO3（BSPT）体系 3.2 碱金属铌酸盐体系(1-x)LiNbO3-x(Na, K)(NbyTa1-y) 3.3 铁电体偏铌酸铅体系PbxBa1-xNb2O3+TiO2+Me2+4 三元及多元系压电陶瓷4 三元及多元系压电陶瓷PZT 压电陶瓷不断改进，逐趋完美。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。 多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。5 压电薄膜5 压电薄膜随着电子器件的小型化以及新的微电子机械（MEMS）和创建新型电子器件，实现电子器件概念上的突破等都在很大程度上推动从体材料研究转向薄膜。 6 细晶粒压电陶瓷6 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晶粒组成的多晶材料，在高频器件以及超低压致动器和微机电系统应用方面，这样的粒径已接近期间规格尺寸，所以传统的粗晶粒压电陶瓷已不能满足需要了。 近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作了一些高频换能器、微致动器及薄型蜂鸣器（瓷片20 ～ 30μm 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。7 无铅压电陶瓷7 无铅压电陶瓷目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷。近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，发展环境协调性材料（绿色材料）及技术是材料发展的趋势之一。 目前对BaTiO3、钛酸铋钠（BNT）、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作。 日本在无铅压电陶瓷的研究和开发上，和专利的数量最多，在世界上占主导地位。null但总体上讲，无铅压电陶瓷的性能与铅基压电陶瓷相比，还存在较大的差距，要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系，还需要进行大量深入的研究工作。 另外, 纳米压电陶瓷、晶粒取向压电陶瓷、PLZT透明铁电陶瓷、各向异性压电陶瓷也是目前压电陶瓷材料研究的重要方向。