第七章功能转换材料.ppt

* 第七章 功能转换材料 利用能量转换效应制造具有特殊功能元器件的材料叫功能转换材料。该类材料能实现不同形式的能量转换，在测量技术、传感器技术中有广泛应用。 7-1 压电材料 + + + - - - 一、压电效应 某些电介质晶体在机械外力作用下发生形变时，电极化强度发生变化，因而在某些对应表面产生异号电荷。 这种没有电场作用而只由于形变使晶体电极化状态发生变化的现象叫做压电效应，即因形变产生的电效应。 也称为正压电效应。 反之，在压电晶体上加电场，晶体会产生应力而使晶体形变。该效应称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。 （加交变电场，产生机械振动） 压电效应使机械能和电能发生转化。 二、压电机制 1、非铁电晶体（如石英） 不受外力作用时，晶体内正负电荷中心重合，总电距为0，晶体表面无电荷。当受到外力作用时，晶格变形，正负电荷中心不重合，出现电极化，表面呈现束缚电荷。 2、铁电晶体 当加电场后再撤去，铁电体有剩余极化强度，处于极化状态，在表面上有异号极化电荷。极化电荷吸附空气中的自由电荷而中和（空气中总存在微量正负离子和电子），铁电体不呈电性。当铁电体作机械变形时，极化强度（包括极化电荷）随之变化。导致表面吸附的自由电荷随之而变。变化着的自由电荷便从一个极移至另一极形成电流。从而实现机械能向电能转变即压电效应。 铁电晶体一定有压电效应，但有压电效应的晶体不一定是铁电体。 铁电体中有许多自发极化小区域，称为电畴。电畴取向混乱，总电矩为0。经电场处理后的铁电体可以成为压电材料。 电极 电极 电极 电极 电源 反之，接入电源，电极上呈现电压，压电体就会变形（压缩或伸长）。加交变电源，压电体交替出现伸缩即发生振动。 三、压电材料工作参数 1、机械品质因数 当输入电信号时，压电晶片产生振动，会产生内耗（发热），造成机械能损耗。反映损耗程度的参数称为机械品质因数。 2、机电耦合系数 四、压电材料种类 1、非铁电压电晶体 石英（SiO2）、酒石酸钾钠（NaKC4H64H2O)、锗酸铋（Bi12Ge20）等 压电半导体CdS、ZnO、ZnS等 2、铁电晶体（压电陶瓷） 钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、钛酸铅PbTiO3等。 3、压电聚合物 几乎所有聚合物都有压电性，但有实用价值的不多。 1940年，俄罗斯人发现木材压电性后，相继发现苎麻、丝竹、动物某些生物组织有压电性。1960年，人工合成了聚合物有压电性。 1969年，日本河合平司发现聚偏四氟乙烯（极化处理后）有强压电性，使压电聚合物逐步进入实用化。 与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄膜传感材料。 两类： （1）固有压电性聚合物 一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉伸时，微晶取向随机，总极化强度为0。 拉伸时，晶粒有压电响应，不经极化也有压电性。称为固有压电聚合物。 （2）驻极体聚合物 如木材、丝竹、动物骨骼、肌肉、皮、头发等，在自然生长条件下，微晶粒已择优取向。 某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。 聚乙烯、聚丙烯等，分子中无极性基团，在电场中无偶极取向极化。这类材料本身无压电性。但由于材料在加工过程中存在不对称杂质电荷或由外界注入的电荷在电场中不对称分布而引起压电性。但压电常数低，重复性差，难于实用。 聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龙等是极性高分子。若在高温下用高直流电压使之极化，并在冷却后撤出电压，使极化状态冻结下来，就成为半永久性极化且有半永久性表面电荷的介质材料。称为驻极体聚合物。 PVDF驻极体有很强的压电效应，已实用化。 聚合物除PVDF等少数品种外，一般压电常数小，应用受限。而压电陶瓷质脆，不易加工。因此开发具有优良加工性能和高压电性的聚合物-陶瓷复合压电材料应用前景广泛。 五、压电材料的应用 1、水声、超声换能器 发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测。 2、高电压发生装置（机械能 电能） 压电点火器（打火机、煤气灶、汽车火花塞，高压使空气发生火花） 引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器等 3、电声设备 扬声器、话筒等 4、滤波器 各种无线电通讯和测量仪器（电能 机械能 电能）。压电振子对某些频率信号衰减大，而对另一些衰减小，从而滤波。 5、压电传感器 非电信号 电信号。力敏传感