压电材料
压电材料
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
压电材料
陶瓷压力传感器
压电式压力传感器的优点是具有自生 信号输出信号大，较高的频率响应， 体积小，结构坚固。其缺点是只能用 于动能测量。需要特殊电缆，在受到 突然振动或过大压力时，自我恢复较 慢。
• 压电式加速度传感器又称 压电加速度计。它也属于 惯性式传感器。它是利用 某些物质如石英晶体的压 电效应，在加速度计受振 时，质量块加在压电元件 上的力也随之变化。当被 测振动频率远低于加速度 计的固有频率时，则力的 变化与被测加速度成正比。
PbTiO3系压电陶瓷
• PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温 压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成 难、极化难、制作大尺寸产品难的问题， 抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、 各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改 良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高 频器件方面得到了广泛应用。目前该材料 的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作 者关心的课题。
压电材料及其应用
11/15/2011
主要内容
• 压电材料的定义 • 压电材料的分类 • 压电陶瓷的工艺 • 压电材料的应用
• 压电材料的发展现状
一、压电材料的定义
• 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。
压电石英晶体材料
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。
四、二次细磨:目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细,为成瓷均
匀性能一致打好基础。
五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行
但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。
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。
压电材料的应用领域
压电材料的应用领域压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，具有压电效应，即在外加压力下能够产生电荷。
这使得压电材料在许多领域具有广泛的应用。
一、压电传感器领域1.压力传感器：利用压电材料的压电效应，将压力转化为电信号，广泛应用于各种压力测量领域，如工业控制、航空航天、汽车制造等。
2.加速度传感器：将压电材料作为传感器的敏感元件，可以通过测量物体的加速度或振动信号来确定其位置和运动状态，应用于惯性导航，机械振动和医药检测等领域。
3.声音传感器：压电材料能够将声波转化为电信号，广泛应用于麦克风、扬声器、声音检测等声音传感器领域。
二、压电器件领域1.压电陶瓷换能器：将电能转化为机械能，广泛应用于超声波发生器、超声波清洗机、声波喷雾器等超声波设备中。
2.压电陶瓷马达：将电能转化为机械能，能够实现精确的位置控制和振动驱动，广泛应用于精密仪器、精确加工设备等领域。
3.压电陶瓷电子滤波器：利用压电特性能够滤除特定频率信号，广泛应用于无线通信、雷达和电视等领域。
三、压电发电领域1.压电振动发电：利用压电材料的压电效应，将自然或人为振动能量转化为电能，广泛应用于无线传感器网络、自供电传感器、环境能量收集等领域。
2.压电风力发电：利用风的作用力使压电材料产生变形，从而产生电能，应用于微型风力发电机和环境能源收集等领域。
四、医疗领域1.超声诊断：利用压电材料的压电效应，产生超声波信号，应用于医学超声诊断中，如超声心动图、超声胃镜等。
2.手术刀：利用压电材料的压电特性，制成超声刀，用于切割和凝固组织，无血刀技术的一种。
五、其他领域1.电子经络仪：利用压电材料的特性，检测人体经络的状况，以及调节和疏通经络。
2.压电陶瓷电子烟：利用压电材料的特性，将电子烟加热，产生雾化效果，替代传统烟草。
总之，压电材料的应用领域非常广泛，涵盖了传感器、器件、发电、医疗等领域，随着科技的发展，压电材料在更多领域的应用将会不断扩展。
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。
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。
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。
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上海大学理学院 刘清正 16720094
目录
① 压电效应
② 压电材料 ③ 压电材料的应用
压电效应的发现
• 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。 • 1881年，居里兄弟通过实验验证了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生 形变，并得出了正逆压电常数。 • 1910年，德国物理学家沃德马.沃伊特发表著作《晶体物理学教科书》（Lehrbuch der Kristallphysilk,Textbook on Crystal Physics）。这本书描述了20种能够 产生压电效应的自然晶体，并用张量分析来严格定义压电常数。
子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波
器以及高频、高温超声换能器等。
细晶粒压电陶瓷
以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，减小粒径至亚微 米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的
损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠
层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。 为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到 与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年 来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器 及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发 展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。
十二、老化测试：陶瓷性能稳定后检பைடு நூலகம்各项指标，看是否达到了预期的性能要求。
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状， 但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和 宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性
弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因
压电陶瓷片
压电陶瓷的工艺
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要
放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨
或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影
用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。
压电陶瓷-高聚物复合材料
无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机
压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合
二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，
比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。
谢谢观看！
两种压电效应
压电材料
压电材料就材料种类而言，有压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、 压电聚合物和压电复合材料四大类；就材料形态来看，有压电材料（含厚膜） 和压电薄膜两大类。
• 压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。
这是一种具有压电效应的材料。压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅 PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
PbTiO3系压电陶瓷
PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3
陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，抑制晶粒长大，从而得到
各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道
较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应
七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。 八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。 九、外形加工:将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 十、被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。
十一、高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。
响烧结条件及最终产品的性能。
四、二次细磨:目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细,为成瓷均匀性能一致打好基础。 五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，目前高
效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。
六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。