电致和磁致伸缩材料的功能

电致和磁致伸缩材料的功能

1 电致材料

1.1 电致伸缩效应

电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。

1.2 电致伸缩材料

电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。

1.3 电致伸缩材料的发展方向

一、多元化

压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。

与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶

瓷。因此多元系压电陶瓷已成为众多研究机构开发热点之一,已开发的品种可达几十种,可见其发展之迅速。目前,我国广东佛陶集团在开发PZN-PNN-PZT体系多元系压电陶瓷方面已取得很大进展。

二、精细化

采用微细粉制备压电铁电陶瓷,可极大地提高其各方面的机械性能和电气性能。近几年来,许多国家都在积极开展高技术陶瓷及其粉体工艺的研究和生产。高技术陶瓷在日本被称为精细陶瓷,是继金属和塑料之后的第三代新材料。据商业通讯公司(BBC) 的统计, 美国 1994 的精细陶瓷市场值达6184 亿美元。而日本是精细陶瓷的研究和生产大国,市场应该比美国更为巨大,我国政府把精细陶瓷列为国家陶瓷材料发展的重点项目之一。影响我国陶瓷发展的重要因素之一是粉体的生产加工落后,体现在专用粉体生产缺乏,产量低,质量稳定性差,这是我国精细陶瓷业发展的一个“瓶颈”。目前,这种状况已有所改善, 国内近几年已有几家大型粉料专业生产厂建成投产, 且产业发展势头很猛。但电子陶瓷特别是敏感元件所需粉体的专业生产企业仍很缺乏。

三、单晶化

单晶压电体因其特殊的组织结构而表现出与多晶体很大的材料性能方面的差别。最初的单晶压电体SiO2、LiNbO3、LiTaO3已广泛应用于振荡器、声表面波器件等领域,但与PZT陶瓷相比,这些单晶体的压电性能较差,难有更广泛的应用。1997年美国滨州大学和TRS公司的Seung2Eek Park等人研制PMN-PT和PZN -PT单晶,这些单晶体表现出优异性能,引起了该领域的强烈震动,被称为“铁电材料的一次激动人心的突破”,国际权威学术刊物《SC IENCE》作了特别报道,人们的注意力纷纷转向此类具有重要实用意义及巨大市场前景的新材料。我国上海硅酸盐所用改进的Brideman法生长的新型弛豫型铁电完整单晶PMNT尺寸达到直径40 mm×80 mm ,其中PMNT67/33单晶的应力5300,介质损耗小于0.16% ,其机电耦合因数k达0164。

单晶压电体具有十分优异的压电性及电致伸缩性,显著优于传统的PZT 及PZNT陶瓷。该晶体在电声转换应用中可使医用超声传感器及海军声纳传感器的带宽显著加宽、分辨率大为提高。它们也可用作新型复合装甲的超声无损检测及空调、汽车飞机等的振动控制。

四、微膜化

微机电系统是一个应用前景广阔的新兴技术领域,而微驱动器是微机电系统的关键技术之一。传统的压电材料及工艺因受到尺寸的限制,很难适应电子器件向微型化和集成化方向发展的要求。近年来,低温沉积PZT薄膜已成现实,利用其压电特性已制作出各种微型传感器、微型驱动器,其中压电微电机作为一种新型微驱动器在医用微器械、微型精密定位、微型机器人等领域有着重要应用。许多薄膜制备工艺都可用于制备压电薄膜,从目前报道的文献来看,溅射法、溶胶-凝胶法和水热法是用于这一目的的3种主要方法。溅射法获得的薄膜,其结构与性能受溅射时的气压、衬底温变、气体流量、溅射功率等因素的影响较大、溶胶-凝胶法已广泛用于制备各种压电薄膜,其制备大于10μm的厚膜较困难。水热法制作大10μm的厚膜较容易,水热法制作PZT厚膜时,用Pb(NO3)2ZrOCl2和KOH为原料,以Ti作衬底,PZT膜的Ti由衬底提供,把这些材料放在高压釜中,160 C反应48h,气压为607Pa和950 Pa,并使高压釜旋转,可获得无针孔的PZT 压电薄膜。

五、绿色化

传统的压电铁电陶瓷,大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70%。含铅压电铁电陶瓷在制备、使用过程中,都会给环境和人类带来损害。因此,发展非铅基的环境协调性的压电铁电陶瓷,具有重大实用意义。日本、法国、俄罗斯、中国以及韩国的科技工作者, 都在抓紧研究非铅基压电铁电陶瓷材料。目前,可选择的非铅基压电铁电陶瓷体系主要有:以BaTiO3与BaMO3或K(Nb,Ta)O3组成的二元系陶瓷;以NaNbO3与A2+NbO6或B2+TiO3组成的二元系陶瓷; (Ba1/2N(1/2))TiO3(BNT)与钛酸盐或铌酸盐组成的二元系;根据Semolensky原则,结合工艺改性和掺杂, 选择新的陶瓷材料体系。随着人们生态环境保护意识的提高和社会可持续发展战略的实施,环境协调型压电铁电陶瓷的研究必将进一步深入。发展性能良好的非铅基压电铁电陶瓷,将是压电铁电陶瓷的一次革命。然而, 目前已取得的进展离人们的要求相距甚远,非铅基压电铁电陶瓷的实用化,仍有待陶瓷材料科学家和相关科技人员的不懈努力。

2 磁致伸缩材料

2.1 磁致伸缩效应

所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方

向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。

2.2磁致伸缩材料

自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， Ni －Co合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co

－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm 之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb，Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200—400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（Tb，Dy）Fe

2化合物为基体的合金

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。

特点

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT

材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约?l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在

低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。

技术上的应用

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic

Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km 的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。

应用

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤

20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。

用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。

有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。