力电性质与骨.ppt

压电方程—力电关系表达式 一般用电荷密度和应力表示： 骨的力电性质 流动电位 双电层 在固液界面上，固相表面电荷与周围液相中的反离子构成的正、负双电层结构（如图）。 流动电势（streaming potential) 致动器 Longitudinal Wafer Transverse Wafer Stack Actuator Bimorph (extension) Bimorph (bending) 超声波探头功用 探伤用超声波是一种频率高达几百千赫到几兆赫的高频脉冲弹性波。 超声波探头 Ｔ Ｆ Ｂ 探头 零件 显示器 缺陷 探头结构组成 超声波探头 探头组成： 压电晶片、阻尼块、外壳、电极、保护膜（斜锲）、调谐线圈 压电晶片：实现声电相互转换； 阻尼块：吸收声能加大阻尼； 外壳：保护固定内部原件； 电极：实现晶片和电缆连接； 保护膜、斜锲：保护晶片、波形转换； 调谐线圈：实现探头与仪器最佳匹配。 * * 压电效应 一、压电效应 压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 符号相反的电荷 典型压电材料的压电效应 （一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。 石英晶体产生压电效应的物理过程 每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带电现象。 结构示意图 可将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影 (b) (a) + + - - - Y X X Y + 当外力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2＋P3＝0 （矢量） 当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + － － － － FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 （P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 (c) FX0 Y + + + - - X - + + + － － － FX FX P2 P3 P1 + － 当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为 在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。 极化示意图。 FX FX + + + + － － － － － － － － + + + + (a) (b) X X + + + + + + + + － － － － － － － － (c) (d) FY FY X X 压电常数 电荷 受力 其中：i＝1,2,3表示极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6 表示应力分量。 条件：外电场为零 二?? 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁