压电材料
压电材料
反之，当材料在电场作用下，发生电 极化时，则会产生应变，其应变值的 大小与所加电场的强度成正比，其符 号取决于电场的方向，这种现象称逆 压电效应。 具有压电效应的材料叫做压电材料， 因此，通过压电材料可将机械能与电 能相互转换。
正压电效应的应用主要用于燃气点火器， 如燃气灶、燃气打火机等的点火系统。 基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧， 压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打 击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花， 点燃可燃气体。
㈡ 压电半导体：常用的有Ⅱ－Ⅵ 族化合物如 CdS、CdSe、ZnO、 ZnS。Ⅲ－Ⅴ族化合物如：GaAs、 GaSb、InAs等。
㈢ 压电陶瓷：压电陶瓷多晶材料 比压电晶体材料更便宜，但易于老 化。目前，最常用的压电陶瓷有钛 酸钡（是第一个被发现的可以用于 制造陶瓷的铁电材料）、钛酸铅、 锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3 组成的二元固溶体）。
③压电打火机 现在煤气灶上用的一种 电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。 只要用手指压一下打火按钮，打火机上的 压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而 点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火 机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长， 例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机 可压电 陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光 辐射达到危险程度时，护自镜里的压电陶 瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里， 能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光 消失后，又能恢复到原来的状态。这种护 目镜结构简单，只有几十克重，安装在防 核护目头盔上携带十分方便。
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很 小，最多不超过本身尺寸的千万分之一， 别小看这微小的变化，基于这个原理制做 的精确控制机构－－压电驱动器，对于精 密仪器和机械的控制、微电子技术、生物 工程等领域都是一大福音。
常见的压电材料有哪些
常见的压电材料有哪些
首先，最常见的压电材料之一就是石英晶体。
石英晶体是一种自然界中存在的
矿物，具有良好的压电性能。
它在电子设备中被广泛应用，例如用于制作石英晶振，作为电子钟、计时器、无线电等设备的稳定振荡器。
除了石英晶体，陶瓷材料也是常见的压电材料之一。
陶瓷材料具有良好的压电
性能和机械性能，因此被广泛应用于压电换能器、压电陶瓷换能器、压电陶瓷传感器等领域。
此外，聚合物压电材料也是一类新型的压电材料。
相比传统的陶瓷材料，聚合
物压电材料具有更好的柔韧性和可塑性，可以在更广泛的领域得到应用。
目前，科研人员正在积极研究开发具有优良压电性能的聚合物材料，以满足不同领域对压电材料的需求。
此外，压电复合材料也是一种常见的压电材料。
压电复合材料是将压电陶瓷与
聚合物等材料复合而成，具有良好的压电性能和机械性能。
它在医疗、声学、振动控制等领域有着广泛的应用。
总的来说，常见的压电材料包括石英晶体、陶瓷材料、聚合物压电材料和压电
复合材料。
这些材料具有不同的特性和应用领域，但都具有良好的压电性能，为各种电子设备和器件的制造提供了重要的支持。
随着科学技术的不断发展，相信压电材料将会在更多领域发挥重要作用。
压电材料、原理、应用
前景和未来发展趋势
随着科技的不断进步，压电材料的应用前景广阔。未来的发展方向包括更高 灵敏度的传感器、更小尺寸的压电材料和更多创新的应用领域。
常见的压电材料
压电陶瓷
如铅锆钛酸钡陶瓷，具有良好的压电性能和稳定性。
压电聚合物
如聚乙烯偏氟乙烯，具有高灵敏度和柔性。
压电单晶
如石英和锂钽酸铌，具有优异的压电性能和热稳定性。
压电材料在传感器中的应用
1
压力传感器
利用压电材料的压电效应测量压力变
加速度传感器
2
化，广泛应用于工业、医疗和汽车领 域。
通过压材料的压电效应测量物体的
水下声纳
利用压电材料的压电效应发射 和接收声波，用于水下通信、 探测和导航。
压电材料在电子器件中的应用
压电陶瓷谐振器
利用压电材料的谐振特性产生稳定的频率，用于振荡电路和时钟系统。
压电陶瓷变压器
利用压电材料的能量转换特性实现高效率的电能转换和传输。
压电陶瓷马达
通过控制电压和频率实现精确的机械运动，用于精密定位和控制。
加速度，用于惯性导航、运动检测和
震动监测。
3
应变传感器
利用压电材料的压电效应测量结构物 的应变，用于结构健康监测和材料疲 劳性能评估。
压电材料在声波和超声波领域的应用
超声波成像
声波发生器
利用压电材料的压电效应产生 和接收超声波，用于医学成像、 材料检测和非破坏性测试。
通过施加电压激励压电材料， 产生声波用于通信、测距和声 音发生。
压电材料、原理、应用
压电材料可以通过压电效应将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能。 它们在各种领域中发挥着重要作用。
压电材料的定义
压电材料的种类
压电材料的种类
压电材料是一类特殊的功能材料，它们在受到外力作用下会产生电荷分离，从而产生电势差，这种现象称为压电效应。
常见的压电材料包括：
1.水合硅酸铅（PZT）：水合硅酸铅是一种具有优异压电性能的陶
瓷材料，广泛应用于声波传感器、声发射器、振动驱动器和压电陶瓷换能器等领域。
2.喷涂锆钛酸铅（PZT）：喷涂锆钛酸铅是一种薄膜压电材料，可
通过喷涂技术在基底上制备成薄膜形式。
它具有较高的压电性能和灵活性，适用于柔性传感器、微型设备和电子元件等应用。
3.聚偏氟乙烯（PVDF）：聚偏氟乙烯是一种聚合物压电材料，具有
良好的柔韧性和耐腐蚀性。
它广泛应用于压电传感器、柔性电子器件、生物医学器械和能量收集等领域。
4.钨青铜（WZ）：钨青铜是一种金属压电材料，具有高压电系数
和良好的稳定性。
它常用于高频压电换能器、共振器和电声器件等领域。
5.锌氧化物（ZnO）：锌氧化物是一种半导体压电材料，具有较高
的压电系数和可调的性能。
它广泛应用于压电传感器、声波滤波器、声波发射器和压电驱动器等领域。
除了以上列举的压电材料，还有其他一些材料，如锆酸钛钽酸钠（ZTNT）、聚乙烯二氟乙烯（P(VDF-TrFE)）、聚乙烯四氟乙烯（P(VDF-TFE)）等，也被用作压电材料。
每种压电材料都具有不同的特性和应
用领域，根据具体的应用需求选择合适的材料是很重要的。
压电材料的参数及压电方程
压电材料的参数及压电方程一、压电方程对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce或e=sτ式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，又称弹性柔顺常数，表示材料的应力与应变之间的关系并且s=1/c上述关系式的物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正比。
2、压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD或D=εE，式中ε为电容率，又称介电常数（单位：法/米），它反映材料的介电性质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有关，即电容C=εA/t，式中A为两极板相对面积，t为两极间距离或者说是压电晶片的厚度，因而与压电体的电阻抗有关。
介电常数ε常用相对介电常数εr表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：εr=C介/C真空=ε介/ε真空（ε真空=8.85x10-2法/米）β为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，并且β=1/ε，不过这个系数一般较少使用。
上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处于电场E中时，电介质内部的电场可以用电位移D表示。
3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。
对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换（当然这并不确实，而仅仅是在简化分析时略去这两方面）。
因此，一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。
把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。
常用的压电材料有哪些
常用的压电材料有哪些
压电材料是一类特殊的功能材料，它们能够在外加电场或机械应力的作用下产
生电荷，或者在外加电场的作用下发生形变。
常用的压电材料主要包括晶体压电材料、陶瓷压电材料和聚合物压电材料。
首先，晶体压电材料是一类具有压电效应的晶体材料，其中最常见的是石英和
氧化锆。
石英是一种广泛应用的压电材料，它具有良好的压电性能和稳定性，可用于制造压电陶瓷、压电传感器和压电换能器。
氧化锆具有高的压电系数和良好的热稳定性，常用于制造高频压电谐振器和压电换能器。
其次，陶瓷压电材料是一类以陶瓷为基体的压电材料，常见的有钛酸锆、钛酸
钡和铅锆钛酸盐等。
钛酸锆具有优良的压电性能和热稳定性，可用于制造压电陶瓷元件和压电换能器。
钛酸钡是一种典型的铅骨架钙钛矿型压电陶瓷，具有高的压电系数和优良的机械性能，常用于制造压电陶瓷谐振器和滤波器。
铅锆钛酸盐是一种重要的多相压电陶瓷材料，具有优良的压电性能和机械性能，可用于制造压电换能器和压电陶瓷元件。
最后，聚合物压电材料是一类以聚合物为基体的压电材料，常见的有聚偏氟乙
烯（PVDF）和其共聚物。
PVDF是一种具有良好压电性能和柔韧性的聚合物材料，可用于制造压电传感器、压电换能器和压电陶瓷元件。
其共聚物是一种具有高压电性能和优良机械性能的聚合物材料，常用于制造柔性压电传感器和压电换能器。
综上所述，常用的压电材料主要包括晶体压电材料、陶瓷压电材料和聚合物压
电材料。
这些材料在电子、通信、医疗等领域具有重要的应用价值，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
希望本文所介绍的压电材料能够对相关领域的研究和应用提供一定的参考和帮助。
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、本文概述压电材料是一类具有独特物理性质的材料，它们能在机械应力作用下产生电荷，或者在电场作用下发生形变。
这一特性使得压电材料在众多领域，如传感器、执行器、能量转换和收集等方面具有广泛的应用前景。
本文旨在全面概述压电材料的研究和应用现状，分析其在不同领域中的优势和局限性，并探讨未来可能的发展方向。
我们将回顾压电材料的基本理论和性质，包括压电效应的起源、压电常数等关键参数的定义和测量方法。
然后，我们将重点关注压电材料的主要类型，如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等，介绍它们的制备工艺、性能特点以及适用场景。
接着，我们将深入探讨压电材料在传感器和执行器领域的应用。
在这一部分，我们将分析压电材料如何被用于制作压力传感器、加速度计、振动能量收集器等设备，并讨论其在实际应用中的优势和挑战。
我们还将关注压电材料在能源领域的应用，如压电发电和压电储能等。
我们将展望压电材料的未来发展趋势。
在这一部分，我们将讨论新型压电材料的开发、性能优化以及新应用场景的拓展等问题，并探讨压电材料在未来可能带来的技术革新和产业变革。
通过本文的阐述，我们希望能为读者提供一个全面而深入的压电材料研究和应用现状的概览，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
二、压电材料的分类压电材料，作为一种具有压电效应的特殊材料，可以根据其组成和性质进行多种分类。
最常见的分类方式是根据材料的晶体结构和化学成分，将压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三大类。
压电晶体：压电晶体是最早发现具有压电效应的材料，如石英晶体。
这类材料具有良好的压电性能和稳定性，因此在高精度测量、振荡器、滤波器等领域有广泛应用。
然而，由于晶体材料的加工难度大，成本高，限制了其在一些领域的应用。
压电陶瓷：压电陶瓷是通过一定的陶瓷工艺制备而成的压电材料，如铅锆钛酸盐（PZT）等。
这类材料具有较高的压电常数和介电常数，易于加工成各种形状，因此在传感器、执行器、换能器等领域得到了广泛应用。
常用压电材料
常用压电材料
压电材料是一类特殊的功能材料，具有压电效应，即在外加电场或机械应力作用下会发生形变或产生电荷。
常用的压电材料包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物等。
这些材料在电子、通信、医疗、汽车等领域都有着广泛的应用，因此对于压电材料的研究和应用具有重要意义。
压电陶瓷是目前应用最为广泛的一种压电材料。
它具有优异的压电性能和稳定的物理化学性质，可以在不同的温度、湿度和压力环境下工作。
常见的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛）系列、PNZT（钇掺杂铅锆钛）系列等。
PZT材料具有良好的机械性能和稳定的压电性能，广泛应用于超声换能器、压电陶瓷换能器、压电陶瓷传感器等领域。
压电单晶是一种高性能的压电材料，具有优异的压电性能和热稳定性。
常见的压电单晶材料有PZN-PT（铅锆镍钛）、PMN-PT（铅镁铌钛）等。
这些材料在超声波传感器、医学成像、精密仪器等领域有着重要的应用价值。
压电聚合物是一种新型的压电材料，具有良好的柔韧性和生物相容性。
常见的压电聚合物材料有PVDF（聚偏氟乙烯）、P(VDF-TrFE)（聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物）等。
这些材料在柔性传感器、生物医学器械、智能材料等领域具有广阔的应用前景。
总的来说，压电材料具有多种形式和广泛的应用领域，对于提高传感器、换能器、致动器等设备的性能和功能具有重要意义。
随着科学技术的发展，压电材料的研究和应用将会更加深入和广泛，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
希望通过本文的介绍，读者对常用压电材料有了更深入的了解，可以更好地应用于实际生产和科研工作中。
压电材料参数
压电材料参数压电材料是一种特殊的功能材料，具有压电效应，即在外加电场或机械应力作用下产生位移，或者在外加位移作用下产生电场。
压电材料参数是描述压电材料性能的重要指标，包括压电应变系数、压电常数、介电常数、机械品质因数等。
这些参数对于压电材料的应用和性能评价至关重要。
首先，压电应变系数是描述压电材料在外加电场作用下产生的应变的参数。
它是指在单位电场下产生的应变，通常用d33表示，单位是皮库。
压电应变系数的大小直接影响了压电材料的位移输出能力，是评价压电材料性能优劣的重要指标之一。
其次，压电常数是描述压电材料在外加电场作用下产生电荷的参数。
它是指在单位应力下产生的电荷，通常用d33表示，单位是库仑/牛。
压电常数的大小直接影响了压电材料的电荷输出能力，也是评价压电材料性能优劣的重要指标之一。
除了压电应变系数和压电常数，介电常数也是描述压电材料性能的重要参数之一。
介电常数是指在外加电场下，材料内部电极间的电容率，是描述材料对电场的响应能力的参数。
介电常数的大小直接影响了压电材料的电场输出能力，也是评价压电材料性能的重要指标之一。
最后，机械品质因数是描述压电材料机械能量和电能量转换效率的参数。
它是指在外加机械应力下，材料内部电极间的电荷输出能力与机械能输入能力的比值，是评价压电材料性能的重要指标之一。
机械品质因数的大小直接影响了压电材料的能量转换效率，也是评价压电材料性能的重要指标之一。
综上所述，压电材料参数是评价压电材料性能的重要指标，包括压电应变系数、压电常数、介电常数、机械品质因数等。
这些参数的大小直接影响了压电材料的位移输出能力、电荷输出能力、电场输出能力和能量转换效率，对于压电材料的应用和性能评价具有重要意义。
因此，在研究和应用压电材料时，需要充分考虑这些参数，并根据实际需求选择合适的压电材料。
压电材料有哪些
压电材料有哪些
压电材料是指在外力作用下，可以产生电荷分布不对称，从而产生电荷转移和电势差的材料。
常见的压电材料主要包括以下几类：
1.晶体压电材料：晶体压电材料是指在晶体结构中存在非中心
对称性，使得在外力作用下，晶体可以产生电荷分布不对称的现象。
常见的晶体压电材料有石英、铅酸锂、硼酸铋等。
2.陶瓷压电材料：陶瓷压电材料是指由陶瓷基质和压电晶体颗
粒组成的复合材料。
常见的陶瓷压电材料有氧化锆、氧化铁、氧化铅等。
3.聚合物压电材料：聚合物压电材料是指由聚合物分子构成的
材料，在外力作用下可以发生分子畸变产生电荷效应。
常见的聚合物压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氯乙烯（PVC）等。
4.液体压电材料：液体压电材料是指在液体介质中存在压电效应。
常见的液体压电材料有液晶材料、某些有机化合物等。
需要注意的是，不同类型的压电材料具有不同的压电性能和应用领域。
例如，晶体压电材料具有高压电系数和较高的工作温度，适用于传感器、声波发生器等领域；聚合物压电材料具有较低的压电系数和低成本，适用于柔性传感器、能量采集等领域。
因此，在选择压电材料时，需要根据实际应用需求来进行选择。
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n ⑵压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极
化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一 端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界 的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向 平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距 变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自 由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
点燃可燃气体
（2）点火器结构和工作原理 点火器种类繁多，现以家用压电点火 器为例说明它的结构和工作原理。
如图所示的点火器，可固定在家 用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1
三 压电材料的应用
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
三 压电材料的应用
三 压电材料的应用
压电振动 压
压电材料
一 认识压电材料
压电材料有哪些： • (1) 天然晶体 ：石英 .电气石 • (2) 人工陶瓷：pbTiO3 PZT（锆钛酸铅） • (3) 高分子材料：PVDF（聚偏氟乙烯）
二 压电效应
• 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生 形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反 之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆 压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在 与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转 换、传感、驱动、频率控制等功能。
• 图石英晶体的外形 (a)天然石英晶体；
• (b)人工石英晶体； • (c)右旋石英晶体理想外形
三 压电材料的应用
• 由于压电效应具有两方面的特征所以其应用也分 为两方面
应用
分类
正压电效应
将机械力转换为电 能，如点火装置， 拾音器等，是机电 换能器
逆压电效应
主要用于压电 蜂鸣器，如音 乐贺卡、门铃 和扬声器等
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
二 压电效应
n ⑶ 两种压电材料的特点 n 石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，
无热释电现象。但压电常数小，成本高。 n 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳
定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。 利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。
三 压电材料的应用
• （1）点火器工作过程 • 点火器工作过程分高压产生、放电点火
和点燃可燃气体三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电陶瓷元
件为例，如图5-2所示。当机械力F作用 于圆柱体时，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而在圆柱体上 下表面出现自由电荷大量积聚，产生高 压输出。
放电点火——把压电陶瓷元件放在 一个闭合回路中，并留一个适当间隙， 当电压升高到该间隙的放电电压时，间 隙中就产生放电火花。
压电效应的物理机制：
• （1）石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外 力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性
被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余 电电荷而产生的。
x
x Fx
x
Fy
Fy
y
P1
y
P1
y
P1
P2 P3
P2 P3
P2 P3
不受力
Fx
图 2 石英晶体压电模型
加速计
电
压电Leabharlann 陶陶瓷压电 瓷
风扇
压点电陶火瓷器 继
压电式
电
触屏
器
补充：声纳
• 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉 地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行， 用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能能效地传递信 号，探测潜艇靠的是声纳------水下耳朵。压电陶瓷就是制造声纳的材 料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可 测出敌潜艇的方位、距离等。