压电纤维复合材料的研究与应用

压电纤维复合材料的研究与应用

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湖北工程学院湖北孝感432000

摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。

关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用

1引言

压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。

目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。

2压电陶瓷纤维的制备方法

2.1 溶胶-凝胶法

制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，

而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。

Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。

LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。

Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。

Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。

锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤

维在300℃时的连续热解，获得长达2m的热解纤维，经煅烧和烧结成功制备出长PZT纤维。

图1 纤维的制备装置

2.2挤压法

2.2.1传统挤压法

在陶瓷粉末中加入有机粘结剂及塑化剂使之成为可塑性的混合物料，通过特定的装置，调节挤压工艺参数(压力值、挤压比、挤压速率等)可得压电陶瓷纤维。Bowen等用传统挤压法制备了PZT纤维，并研究了PZT纤维的性能。将原料PZT - 5A粉末、粘结剂PVB、溶剂、添加剂环己烷球磨混匀，挤压得到直径为250μm的纤维坯体，然后进行热处理，以1℃／min升温速率至600℃保温1h排胶，再以5℃／min速率升温至1200℃保温1h烧结，得到密度为7.7(±0.1)mg／m3，d33为377pC／N的纤维。传统挤压法工艺较为简单，但未经热处理的纤维中有机成分含量较高，在烧结过程中体积收缩较大，有机物分解导致纤维的气孔率高，得到的纤维往往强度低、密度小。

2.2.2粉末-溶胶混合挤压法

由于溶胶一凝胶纺丝法规模生产纤维时，需要特殊的工艺设备且生产成本高，而传统方法制备的纤维性能较差。于是Qiu等提出了制备陶瓷纤维的新方法，即用粉末一溶胶混合挤出法制备了直径为250μm的Pb(Nb ,Ni)O3—Pb(Zr，Ti)O3纤维坯体。该方法用PNN—PZT溶胶取代了有机粘结剂，溶胶在烧结过程中转变为晶相，减少了烧结前粘结剂的排除过程，且增加了纤维中PNN—PZT

晶相的含量，从而增加了纤维的密度,使纤维的性能有所提高。

鉴于粉末一溶胶混合法的优点，笔者采用此方法制备长的性能优异的PZT 陶瓷纤维，采用固相反应法制备PZT粉体，同时制备PZT溶胶，然后PZT粉料加入到具有可纺丝性的溶胶中充分搅拌均匀，放入自制的挤压模具中，控制加压速度挤出PZT压电陶瓷纤维。其中影响纤维性能的因素主要有溶胶的粘度、粉末与溶胶的混合比例、烧结温度、加压值、挤压比、挤压速率、挤压温度等。2.2.3共挤压法

共挤压法(microfabrication by coexrusion，MFCX )是制备中空纤维的一种方法。将压电陶瓷粉料PZT和炭黑粉料分别与热塑性聚合物、聚乙烯乙二醇、硬脂酸和矿物油混匀，分别用挤压模具挤压成圆柱状，然后根据最终纤维壁厚的要求，使得PZT圆柱中间需要去除的圆柱的尺寸刚好与炭黑圆柱的尺寸相同，将炭黑圆柱嵌入PZT圆筒中，再将整体嵌套于方形的炭黑中形成预制棒，然后在挤压模具中挤出得到理想尺寸的纤维, 热处理过程中去除有机物及炭黑，经烧结得到PZT压电陶瓷中空纤维。其过程如图2所示，通过改变挤压模具中进出口的比例可以改变纤维的尺寸传统制备中空纤维的方法是通过制备中空纤维的模芯来改变纤维的壁厚，与之相比，MFCX 法有其自身的优势：(1)改变中空纤维的壁厚时，不需要重新做模具, 只要改变预制棒的尺寸，既降低成本又节约时间；

(2)由于未经处理的纤维有机物及炭黑的存在，增加了生坯纤维的强度。

图2 中空纤维的制备过程

2.2.4切割法

此方法为一种较为简单的方法，用传统的方法制备陶瓷薄片，然后切割成所需要的尺寸。Williams用此方法制备了用于压电复合材料的纤维。在100gPZT 粉料中加入20mL重量比为3％的聚乙烯醇溶液，球磨0.5h，混合均匀后将其放入模具中，在35MPa的压力下加压成型，1300℃保温1h烧结制成PZT薄片。然后将烧结后的样品磨光表面，用金刚石锯片切割，得到截面为矩形的纤维。为了防止样品边缘破损，切割时必须控制速度。纤维的粗细程度由计算机数控系统的精度和压电陶瓷在工艺过程中的承受能力两种因素决定。这种方法生产效率高，多为厂家所采用，美国的Smart Material Corp用该方法生产多种规格的PZT 纤维，其纤维的粗细约为100~1000μm。

2.2.5碳纤维模板浸渍法

David等制备了PZT纤维与聚合物复合的复合材料，其中纤维的制备采用碳纤维模板浸渍法，钛的丁醇盐和铌的乙醇盐混合加入到乙二醇单甲醚溶剂中在60℃下搅拌1h。为了防止醇盐的快速水解，将三水醋酸铅单独溶解于乙二醇单甲醚溶液中，并在120℃下蒸馏1h去除水分，冷却至60℃，将锆、钛、铌的醇盐溶液加入到醋酸铅溶液中不断搅拌3 h形成VZT 先驱体溶液。然后将碳纤维缠绕成直径分别为9～10μm和0.5m的纤维束浸入到PZT先驱体溶液中，由于碳纤维中有很多气孔，可以吸收PZT先驱体溶液。为了使有活性的碳纤维吸收更多的PZT溶液，通常在水蒸汽或CO2的气氛中进行，这样活性纤维的表面积可达1500m2以上。最后采用热处理使碳氧化，烧结后可得具有一定强度的PZT 纤维。尽管浸渍法工艺比较简单，但生坯中PZT的含量较低，烧结后的纤维强度低、表面粗糙、密度小、性能较差。

3压电纤维复合材料

过去的几十年人们对压电材料的应用进行了形式多样的研究，压电纤维的出现给压电纤维复合材料的研究注入了新的活力。压电纤维复合材料主要有3种：1-3型压电复合材料、AFC (active fiber composites)和MFC (macro fiber com posites) 1-3压电复合材料是将压电纤维成束有规律的固化于聚合物中，形成三维结构。AFC和MFC是将压电纤维有规律排成一排固化于聚合物基质中，形成片式结构；AFC和MFC 的区别在于纤维横截面的形状不同。AFC中纤维的横截面为圆形，

多用挤出法制备；MFC中纤维的横截面为矩形，多用切割法制备。

图3 a,b 1- 3型压电复合材料c、AFC d、MFC

1-3型压电复合材料是目前研究最多、最深人、应用最广泛的一种压电复合材料。1-3型压电纤维复合材料MFC是由一维联通的压电纤维平行排列

于三维联通的聚合物中而形成的两相复合材料，其压电纤维相保留了压电驱动器的优点，聚合物材料使得该型压电复合材料具有良好的韧性，适用于具有各种表面的被控对象，因而MFC比较适合在智能结构中大面积铺层使用。MFC由3部分组成，其结构及工作模式如图1所示。其结构中压电陶瓷是主动相，沿纤维方向平行排列于一个平面内，这种单一方向的纤维排列方式使特定方向上的驱动能力大大提高。聚合物相在压电纤维的周围使压电纤维和聚合物基体材料成一个整体，不仅能起到传递应力和应变的作用还能起到保护作用，使MFC具有很高的韧性，提高了抗破坏能力。交叉指形电极不仅是工作电极而且是MFC的极化电极，提供了沿纤维方向的极化电场，使得MFC工作时使用比较大的压电常数d33，提高了3方向上的机电耦合效应。这种电极的结构特点是：沿轴方向正负分支电极交叉排列，各分支电极由1对异性主电极引出，上下表面的电极结构完全对称。在电极区附近的电场分布不均匀，只有在远离电场的区域才能获得均匀的电场分布。与传统的平面压电陶瓷驱动器相比，压电纤维复合材料的主要优点有：较大的平面诱导应变；可定制的正交异性；抗破坏能力强；容易使用在曲面结构上等。

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

压电结构纤维及复合材料

[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。 目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），

本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估： 上面的研究表明，α和材料性质(模量和d31)决定了中空复合材料的应变行为，而嵌入应

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

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。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

各种晶体总结及其应用

对晶体结构及其应用的认识 引言：化学中对晶体的研究促进了各种特性材料的发现和发明,也促进了各种催化剂的发现,晶体是美丽的,他们的最小单位——晶胞更是充分体现了各种对称美和造物者的神奇。晶体的应用在人类的生产生活中正发挥着巨大的作用。在本飞行器制造工程专业中也占据着不可忽视的作用。 关键词原子晶体，离子晶体，分子晶体，材料，制造业 高中时学习化学，曾接触过晶体的一些知识，因而对晶体产生了浓厚的兴趣，想借此机会，总结一下晶体结构以及晶体的各种应用。晶体分为原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体，我们生活的世界大部分是由这些物质构成。晶体具有以下特征： 自范性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质，又称为自限性。 均一性：指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征。 各向异性：在晶体的不同方向上具有不同的性质。 对称性：指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性。最小内能和最大稳定性。 晶体中质点排列具有周期性和对称性整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最小晶格单元称为晶胞。晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。 原子晶体是几种晶体中硬度最大，熔点较高的一类晶体。晶体中原子与原子通过共价键链接，构成一个空间的三维网络结构，所以具有他们特有的物理性质。俗话说“没有金刚钻别揽瓷器活”就是说的原子晶体中最典型的金刚石，金刚石

中C原子通过sp3杂化轨道与其他C原子相连，在空间形成承受力能力相当强的正四面体结构，我们不禁赞叹大自然的神奇，简单的C原子以这种方式连结竟然构成了世间最硬的物质。正是由于原子晶体的各种特异的性质，原子晶体在工业中具有广泛的应用，金刚石因为它的硬度较大，被广泛用在精密切割的刀具上，另外钻石还是昂贵的奢侈品；二氧化硅常被用在机械加工中各种砂轮砂纸上作为耐磨材料；高纯度的硅单质是良好的半导体，被广泛用于电子信息产业；碳化硅是良好的耐磨材料,。 离子晶体由阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体，离子键：阴、阳离子间强烈的静电作用。离子键无饱和性、无方向性，大多数盐、强碱、活泼金属氧化物属于离子晶体，典型代表是氯化钠。相对于原子晶体，离子晶体更加普遍存在，同时它们也具有许多独特的特点。应为离子晶体是靠阴阳离子相互吸引结合，离子间以离子键相互结合，离子之间按照严格的规则排列，因此具有很漂亮的晶胞下面如图立方ZnS、CaF2、NaCl的晶胞 离子晶体在人类的生活中发挥着重要作用，冶炼金属，制作高储能的电池，制作具有各种光学特性光学器材，温度测量等很多地方都有应用。 分子晶体是由分子组成，可以是极性分子，也可以是非极性分子。分子间的作用力很弱，分子晶体具有较低的熔、沸点，硬度小、易挥发，许多物质在常温下呈气态或液态，例如O2、CO2是气体，乙醇、冰醋酸是液体。同类型分子的晶体，其熔、沸点随分子量的增加而升高，例如卤素单质的熔、沸点按F2、Cl2、Br2、I2顺序递增；非金属元素的氢化物，按周期系同主族由上而下熔沸点升高；有机物的同系物随碳原子数的增加，熔沸点升高。但HF、H2O、NH3、CH3CH2OH等分子间，除存在范德华力外，还有氢键的作用力，它们的熔沸点较高。在固态和熔融状态时都不导电。 金属晶体：晶格结点上排列金属原子-离子时所构成的晶体。金属中的原子

压电纤维复合材料的研究与应用

压电纤维复合材料的研究与应用 XXX 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。 2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，

而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。 Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。 LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。 Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。 Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。 锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤

压电效应及应用

压电效应应用及现状 [编辑本段] 一、原理： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、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。 1、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，而换能器设计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。 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。 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。 2、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，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P （VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。

磁光晶体材料的研究现状及其发展趋势(doc 14页)

磁光晶体材料的研究现状及其发展趋势(doc 14页)

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势 摘要：简要介绍了磁光晶体材料的一些基本理论，通过对磁光晶体材料应用的器件进行了解磁光晶体材料的优势、缺点以及发展的历程。通过不同的磁光晶体材料的介绍，了解他们的结构特性，生长过程以及生产技术。通过各种方面的了解，理解其发展的方向及其困难之处，并从中思考解决的方法。 关键词：晶体材料，旋磁光晶体，研究现状，发展趋势 Magneto-optical crystal materials' Research and Development Wu zhuofu Departement of Optoelectronic Information Engineering, Jinan University,Guangzhou,China 510632 Abstract：It introduces something about magneto-optical crystal by material and device. We use it to know history of magneto-optical crystal. We can see the strong point and the weakness about it. Understand the structure of them and solve the problem. Key Words：crystalline material , magneto-optical crystal, SituationofStudy , development

压电纤维复合材料的研究与应用

压电纤维复合材料的研究与应用 xxxx 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高

压电效应及其应用

压电效应及其应用叶传忠 接触了这么多的实验，我始终对压电效应这个实验最感兴趣。因为我认为这个世界压力资源太丰富了，由于重力的存在，水平运动的物体都会产生压力。压力是一种能源，但是目前无法对压力直接进行利用，只有通过压电的转换对压力进行利用。但是压电转换的效率太低，这是一个问题。我对压力资源感兴趣，应先对压电效应进行思考！ 压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 打火机 目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件，

压电晶体 有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。 压电高分子 压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料，但是其压电率太低，而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。 压电陶瓷 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。 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。 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。

2020年常用晶体材料

作者：非成败 作品编号：92032155GZ5702241547853215475102 时间：2020.12.13 Al2O3晶体 氧化铝晶体（白宝石，蓝宝石，Al2O3）是一种很重要的光学晶体。它具有高硬度、高熔点、高强度、高透过率、耐高温和抗腐蚀的特性，广泛地用于航空航天仪器的红外和紫外的窗口、激光工作窗口、高炉测温窗口以及太阳能电池保护罩和永不磨损手表镜面等。在窗口应用方面，它具有如下优良的特性： (1)光透过范围从300nm到5.5μm (2)3-5μm波段红外透过率大于85% (3)具有高硬度，高透过率,抗挠曲强度和抗风蚀、雨蚀的能力 (4)优良的热传导性能 (5)低散射率0.02在λ=26到31μm，880℃ 材料基本性能： CaF2晶体

折射率： MgF2晶体 氟化镁晶体被应用在环境要求很苛刻的光学系统中，它的透过波段为0.11μm--8.5μm。辐照不会导致色心的产生，它有良好的机械性能，可以承受热和机械震动，很大的外力才能使氟化镁解理。氟化镁单晶由于有微弱的双折射性能，通常的切向为光轴垂直于晶片表面。 氟化镁是一种应用很广泛的晶体，具有如下特性： (1)、在真空紫外到红外(0.11～8.5μm)波段有很高的透过率. (2)、抗撞击和热波动以及辐照 (3)、良好的化学稳定性. (4)、可用于光学棱透镜、锲角片、窗口和相关光学系统中 (5)、四方双折射晶体性能，可用于光通讯. (6)、UV 窗口材料 Ba F 2

折射率： LiF 氟化锂晶体是一种很重要的光学晶体，它具有如下优良的特性： 1、在真空紫外到红外(0.12-6μm)的波段有很高的透过率，特别是在真空紫外有优良的透过率。 材料性能：

第二章 压电复合材料有限元分析方法 (恢复)

第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的

蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析

蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析 蓝宝石晶体材料是蓝宝石单晶体的原材料，是生产LED衬底、蓝宝石视窗等产业的上游产业，因此可分析其下游产业趋势来确定其市场需求。 据预计，未来LED蓝宝石衬底市场需求量年增速超过30%，蓝宝石视窗则受益于新机型屏幕升级和智能穿戴设备的潜在高速增长，全球性的蓝宝石经济即将到来。 LED市场对蓝宝石晶体材料的需求分析 图1 蓝宝石材料的应用及趋势 1）LED衬底 LED是一种节能环保、寿命长和多用途的光源，其能量转换效率大大高于白炽灯和节能灯。衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。 衬底材料的选择取决于很多条件，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的

研发和生产。目前能用于生产的衬底只有三种，即蓝宝石Al2O3衬底和碳化硅SiC衬底以及Si衬底等。蓝宝石的性价比不断提升将成为LED上游衬底材料的最优选择。 由图1所示，LED衬底可应用于照明、信息、笔记本电脑等诸多领域，市场整体保持快速增长，尤其是LED照明市场应用扩张明显，而蓝宝石晶体材料是LED上游衬底材料的最优选择，受其影响，也将迎来高速增长。 蓝宝石由于性能优良是最为理想的衬底材料，并且被广泛应用于光电元件中。蓝宝石的应用领域主要涉及衬底材料，军事、武器方面的应用及消费性电子智能终端等。衬底依旧是蓝宝石的重要应用领域，以LED衬底材料为主。目前来看，蓝宝石衬底材料应用为蓝宝石的最主要应用，按照法国Yole统计，蓝宝石衬底材料应用占比约75%，非衬底材料应用占比约25%。其中衬底材料中主要是半导体照明（LED）衬底材料及SOS相关产品使用，其中LED衬底材料占比约95%以上，可见LED衬底目前是蓝宝石市场的主要驱动力，现在主要应用在LED照明市场。 2、LED照明市场分析 LED应用于照明，是继日光灯、节能灯后的第三次革命。LED 的发光效率，是白炽灯的8倍，是荧光灯的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射。而且LED的光通量半衰期大于5万小时，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍，LED这种节能、长寿的特性，使其取代其他灯具成为主流照明产品是必然趋势。另一方面，LED在大尺寸光源、景观照明、汽车车灯、低温照明等应用市场将得到进一步发展，逐步成为推动LED市场发

压电材料概述

压电材料概述 齐鹏飞 0900501331 中国计量学院材料学院09材料3班，杭州 310018 摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。 关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向 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。由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器， 医学成像等。 1、压电材料与压电效应 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。 材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。 2、压电材料的发展与应用 自从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。材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足的进展。第二次世界大战期间，磷酸二氢铵(ADP)、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。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。1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。其铁电性引起了科学界的广泛关注，并为了解释其铁电性提出各种铁电模型，从而促进了诸如LiNb03、LiTa03的各种类型的压、铁电晶体的出现。 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。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，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3 陶瓷的一倍。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.PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。近十年来，以PT ／PZT为基础，各种新型的功能陶瓷得到快速发展，对其进行性能改进的主要手段主要是在其化学组成上添加含Bi3+、W6+、Nb3+、La3+等高价离子氧化物或者K+、Mg2+、Fe3+等低价离子氧化物，将PZT材料变成相应的“软性材料”或“硬性材料”，其应用领域各不相同。在PZT中入PWN可制成三元系压电陶瓷(P04)，国内的压电与声学研究所张福学在PZT中加入PMS制成了PMS三元系压电陶瓷材料等等，这些被改进的PZT材料其综合性能都有显著的提高，可应用于各种不同环境领域。由于以上几种基于PZT／PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如SiBi4TiO等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。 1956年B．T．Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。1968年先后发现了硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。1969

常用晶体材料资料讲解

常用晶体材料

Al2O3晶体 氧化铝晶体（白宝石，蓝宝石， Al2O3）是一种很重要的光学晶体。它具有高硬度、高熔点、高强度、高透过率、耐高温和抗腐蚀的特性，广泛地用于航空航天仪器的红外和紫外的窗口、激光工作窗口、高炉测温窗口以及太阳能电池保护罩和永不磨损手表镜面等。在窗口应用方面，它具有如下优良的特性： (1)光透过范围从300nm到5.5μm (2)3-5μm波段红外透过率大于85% (3)具有高硬度，高透过率,抗挠曲强度和抗风蚀、雨蚀的能力 (4)优良的热传导性能 (5)低散射率0.02在λ=26到31μm，880℃ CaF2晶体 折射率： 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2

MgF2晶体 氟化镁晶体被应用在环境要求很苛刻的光学系统中，它的透过波段为0.11μm--8.5μm。辐照不会导致色心的产生，它有良好的机械性能，可以承受热和机械震动，很大的外力才能使氟化镁解理。氟化镁单晶由于有微弱的双折射性能，通常的切向为光轴垂直于晶片表面。 氟化镁是一种应用很广泛的晶体，具有如下特性： (1)、在真空紫外到红外(0.11～8.5μm)波段有很高的透过率. (2)、抗撞击和热波动以及辐照 (3)、良好的化学稳定性. (4)、可用于光学棱透镜、锲角片、窗口和相关光学系统中 (5)、四方双折射晶体性能，可用于光通讯. (6)、UV 窗口材料 Ba F2 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢3

折射率： LiF 氟化锂晶体是一种很重要的光学晶体，它具有如下优良的特性： 1、在真空紫外到红外(0.12-6μm)的波段有很高的透过率，特别是在真空紫外有优良的透过率。 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢4

压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快

压电材料及其应用

压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118

压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作