压电高分子-2009.ppt

压 电 材料 （piezoelectric material) 2007.5 1. 概述 2.应用 piezoelectric material 有三种：压电晶体，压电陶瓷，有机压电材料。 压电晶体最有代表性的就是石英晶体，绝缘好，机械强度大，居里点高，但压电系数小，所以只用作校准用的标准传感器，或是要求精度很高的传感器。 压电陶瓷应用范围很广，灵敏度好，但相对石英晶体则机械强度低，居里点低。 有机压电材料通常都是高分子材料构成的，压电系数高，灵敏度高，多用于医学等高精尖科学。  压电特性——当物体受到一个应力时，在材料上诱导产生电荷Ｑ。 压电材料——能够将机械能和电能互相转换的功能材料。 1.概述 ?1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现了压电效应。 1859年5月15日出生在巴黎的一个医生的家庭里，16岁入巴黎大学理学院，毕业后任该校实验室助理。1880年曾与其兄长雅克斯·居里（Jacques Curie，1855-1941）一起，发现了压电效应。 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质（例如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。 ? 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比。当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负下正的电荷。 ? 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。图中当力恒定地施加在压电材料上时，电荷逐渐消失，这表示明压电材料不能用于测量物体重量之类的物理量。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。右图是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 人工合成的压电材料 酒石酸钾钠（又称罗谢耳盐）、 人工石英、碘酸锂、铌酸锂、 氧化锌、高分子压电薄膜 以及压电陶瓷等。 20世纪80年代，应用最广的是锆钛酸铅二元系压电陶瓷。 正压电效应——受到机械压力时，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电。 逆压电效应——施加激励电场，介质将产生机械变形。 利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。 1942年，第一个压电材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。 1947年，钛酸钡拾音器--第一个压电陶瓷器件诞生了。 50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。 60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。 压电性是机械能与电能互相转换的一种性质，最早的压电材料都是无机材料。 从20世纪20年代起，才开始研究高分子压电体。 1969年日本化学家河合辙发现经拉伸和极化后的聚偏二氟乙烯薄膜（PVDF）有强压电性，后来又发现了偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物的压电性。 自从发现聚偏二氟乙烯压电高分子以来,具有大的压电效应的压电高分子相继问世。 目前已实用化的还有聚偏二氟乙烯共三氟乙烯、聚偏二氟乙烯共四氟乙烯、聚丙烯腈共醋酸乙烯等。 这种新型压电材料具有易加工、易薄