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压电及电致伸缩材料一材料系列讲座
压电、铁电材料是智能材料系统中的主导材料之一,其驱动、传感特性 把电能输入到材料中,可由材料直接转 变为位移或者其他机械能。压电 和铁电材料具有作用力大、响应快、频率范围宽等优点,广泛应用于精 确定位系统。1880年,法国物理学家居里兄弟发现把重物放在石英晶 体,晶体 某些外表会产生电荷,电荷量与压力成比例,这一现象被称为压电效应。随即,他们又发现了逆压 电效应,即在外电场作用 下压电 体会产生形变。
优点:压电常数大,灵敏度高;制造工艺成熟,可通过合理配方和掺杂 等人工控制来到达所要求的性能;成形工艺性好,本钱低廉。
缺点:极化处理后的压电陶瓷剩余极化强度和特性与温度 有关,它的参 数也随时间变化,使其压电特性减弱;具有 热释电性,会给压电传感器 造成热干扰,降低稳定性。在陶瓷上施加外电场,电畴的极化方向发生 转动,趋向于按外电场方向的排列。外电场愈强,更多的电畴转向外 电场方向。当所有电畴极化方向都与外电场方向一致时,去掉外电场, 电畴的极化方向基本不变化,即剩余极化强度很大。
极化后陶瓷内部存在有很强的剩余极化,当陶瓷材 料受到外力作用时, 电畴的界限发生移动,电畴发生偏 转,引起剩余极化强度的变化。在垂 直于极化方向的平 面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的将 机械能转变为电能的现象,就是压电陶瓷的正压电效应。
加“就电疆电作伸受场川长剜余假化余长新仲一元系压电陶瓷
加“就电疆
电作伸
受场川长
剜余假化
余长
新仲
BaTiO3:压电系数约为石英的50倍,制备容易,且可制成任意形状和极 化方向的产品。居里点温度只有120C,温度稳定性和机械强度都不如
石英。PbTiO3:具有极高的压电系数和较高的工作温度,而且能承受 较高的压力。
二元系压电陶瓷BaTiO3-CaTiO3系:降低第二相变温度,但不能提高居里点。
BaTiO3-PbTiO3系:提高居里点,同时降低第二相变点。
错钛酸铅:PbZrO3和PbTiO3以任何比例形成的连续固溶体,化学式为Pb(ZrxTil-xO)3,简称 PZT。
与钛酸钢相比,PZT压电系数更大,居里温度在300℃以上,各项机电 参数受温度影响小,时间稳定性好。改性方法:改变Zr/Ti比;离子置换 或掺加杂质、氧化 物,如Ba2+、Sr2+ Sn4+、La3+、Bi3+等。
目前压电陶瓷的开展趋势是无铅压电陶瓷:BaTiO3,钛酸秘钠(Nal/2Bil/2) TiO3 (BNT)系统,含钿层状结构,铝 酸盐。
石英晶体
压电陶瓷
晶体类型
单晶体
人工制造的多晶体
极化方向
X, Y轴
Z轴
对温度的感应
介电和压电常数温度 稳定好
灵敏度高
压电聚合物:通常为非导电性高分子材料。压电应力常 数比压电陶瓷要 小,压电电压常数比压电陶瓷高很多。材料轻质、高韧性,适于大面积 加工和可剪裁成为复杂形状;高的强度和耐冲击性、显著的低介电常数、 低的声阻抗和机械阻抗、较高的介电击穿电压、能够承受更 高的极化电 场和工作电场。
目前能够商业化生产的压电聚合物是晶态聚合物。包括滚延聚偏氟乙烯 (PVDF)和三氟乙烯QYFE)的共聚物P(VDF-TrFE)>和四氟乙烯(TFE)的共 聚物P(VDF-TFE)、奇数的尼龙等。非晶态聚合物尚不具有商业应用价值 的压电性能。
压电复合材料:克服了压电陶瓷材料的脆性和压电聚合物材料 的温度限 制。是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。压电陶瓷/聚合物复 合材料:将压电陶瓷和压电聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质 量比例和一定的空间几何分布复合而成。性能影响因素有组成成分和两 相材料的连通方式。
012-23-3自发极化:晶体中,如果晶胞中正负电荷中心不重合,即每一个晶胞具 有一定的固有偶极矩,由于晶体结构的周期性和重复性,晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐,使晶体处于高度极化状态。这种在无外 电场作用下存在的极化现象称为自发极化。
01
2-2
3-3
极化是一种极性矢量,自发极化的出现在晶体中造成了一个特殊方向。
在32个晶体点群中,只有10个具有特殊极性方向,这10个点群成为极 性点群。
自发极化的微观机制:极化轴引起、热运动引起和有序无序极化。
极 化 轴 C正电荷与负电荷层交替排列固有偶极子(b)由热运动导致的自发极化
极 化 轴 C
正电荷与负电荷层交替排列
固有偶极子
较高温度时,Ti4+热振动能较大,难在偏离中心的某一个 位置上固定下 来,接近六个02-的几率相等,晶体保持高的对 称性,自发极化为零。 较低温度时,Ti4+热振动能降低,其 能量缺乏以克服02-电场,有可能 偏离平衡位置向某一个02-靠近,偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置 的离子在新平衡位 置上固定下来,发生自发极化。
由极性
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