高分子压电材料((1))
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
压电材料的分类
2
这种特性被广泛应用于各 种领域，包括电子学、超 声波、传感器、执行器等
3
以下是对压电材料的主要 分类
1
压电单晶体
压电单晶体
01
压电单晶体是最早被发现和应用的 压电材料
02
例如，石英、铌酸锂、钽酸锂等都 是常见的压电单晶体
这些材料在晶体结构上具有特殊的
03
对称性，使得它们在机械应力的作
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其他类型压电材料
其他类型压电材料
除了以上几种常见的 类型外，还有一些其 他类型的压电材料， 例如半导体压电材料、 超晶格压电材料等。 这些材料在某些特定 领域表现出独特的性
能和应用前景
总的来说，压电材料 的种类繁多，不同的 类型具有不同的特性 和应用场景。在选择 压电材料时，需要根 据实际应用需求来选 择合适的类型和性能
➢ 以上是对压电材料分类的 进一步补充和完善。不同 类型的压电材料具有不同 的特性和应用场景，选择 合适的类型和性能指标对 于实际应用至关重要。同 时，随着科学技术的发展 和创新，未来还可能出现 更多新型的压电材料，为 人类的生产和生活带来更 多的便利和效益
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功能梯度压电材料
功能梯度压电材料
功能梯度压电材料是一种压电 材料，其压电性质在材料的内
部呈现出连续的梯度变化
这种材料主要用于制造高效能 执行器、传感器等，具有较高 的输出性能和优异的热稳定性
功能梯度压电材料的制备工艺 比较复杂，但具有广泛的应用
前景
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智能压电材料
智能压电材料
智能压电材料是一种具有自适应能力的压电材料 这种材料能够在外部环境变化时自动调整自身的 性能参数，如形状、刚度、频率等，从而实现在 线监测、自适应控制等功能
压电高分子材料培训材料
03
竞争格局及市场份额分布
当前压电高分子材料市场呈现多头竞争格局，市场份额分布较为分散，
尚未形成明显的市场领导者。
政策法规环境影响因素剖析
相关政策法规概述
国家出台了一系列支持新材料产业发展的政策法规，如 《新材料产业发展指南》、《中国制造2025》等，为压电 高分子材料产业提供了政策保障。
环保法规对产业的影响
原理阐述
压电高分子材料的压电效应源于其内部偶极子的重新排列。当施加外力时，偶极子发生偏 移，导致材料内部产生电势差，从而输出电荷。测试方法通过测量输出电荷或电压来评估 材料的压电性能。
评估指标体系建立与应用
压电常数
衡量压电高分子材料压电效应强 弱的物理量，包括压电应变常数 和压电电压常数。这些常数可用 于评估材料在不同频率和振幅下
压电高分子材料基本
02
原理
压电效应及其产生机制
压电效应
指某些材料在受到机械应力作用时，会在其内部产生电荷分离，从而形成电势 差的现象。
产生机制
压电效应的产生与材料的晶体结构密切相关。在具有非中心对称晶体结构的材 料中，机械应力会导致晶体内部正负电荷中心发生相对位移，从而产生电偶极 矩，形成电势差。
应用领域与前景
应用领域
压电高分子材料在传感器（如压力传感器、加速度传感器等）、驱动器（如微型机器人、精密定位器等）、换能 器（如声呐、超声波探头等）等领域具有广泛应用。
前景
随着科技的进步和需求的增长，压电高分子材料的应用领域将不断拓展。未来，其在柔性电子、可穿戴设备、生 物医学等新兴领域的应用前景将更加广阔。同时，随着材料制备技术的不断创新和完善，压电高分子材料的性能 将不断提高，成本将不断降低，为推动相关领域的发展做出更大贡献。
压电材料
IT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
2 4e11 k 1C11
三、机电耦合系数 依 k 的定义式则:
不同方向 k 不同，因此有 k11, k22，k33，… kij 等， 例如，薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为 k31, 圆柱体轴向 伸缩模式的耦合系数为k33，方片厚度切变模式的耦合系数为 k15, 薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为 kP 等等。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)，通常 用ε 表示。当压电材料的电行为用电场强度 E 和电位移 D 作变量来描述时，则有： D= ε E 考虑到 D 和 E 均为矢量，在直角坐标系中，上式可以表 示为以下的矩阵形式：
EXIT
第三章
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
二、压电常数 应该指出，对于国际单位制有:
D=ε 0E+P 当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表示式中的 P 均可换为 D。ε 0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。 它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
EXIT
第三章
§3.1 压电效应的机理
压电材料
晶体共有 32 个点群，也就是按对称性分为 32 类。 其中20类是非中心对称的，它们有可能具有压电效应。 不过，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即 使无对称中心并不足以保证具有压电性。 只有少数几种晶体材料才具有压电效应。 所有晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加 应力，将改变晶体的电极化。 但是，压电晶体不同时具有铁电性。 石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体 又是铁电体。
高分子压电材料及热电材料
热电材料性能表征与评价
热电优值
电导率测试
评价热电材料性能的重要指标，与材料的 电导率、热导率和塞贝克系数有关。
通过测量材料的电阻率或电导率来表征其 导电性能。
Hale Waihona Puke 热导率测试塞贝克系数测试
通过测量材料的热扩散系数、比热容和密 度来计算其热导率。
通过测量材料两端的温差和产生的电动势来 计算其塞贝克系数，表征材料的热电转换效 率。
高分子压电材料性能表征与评价
01
02
03
04
压电常数
衡量高分子压电材料压电性能 的重要参数，包括压电应变常
数和压电电压常数。
介电性能
影响高分子压电材料的极化程 度和电荷存储能力，包括介电
常数和介电损耗。
机械性能
高分子压电材料的机械强度、 刚度和韧性等对其应用性能有
重要影响。
稳定性
高分子压电材料在长期使用过 程中需要保持稳定的压电性能
特点
具有柔韧性好、易于加工成型、 成本低廉、生物相容性好等优点 ，但压电性能相对较弱。
高分子压电材料制备技术
溶胶-凝胶法
通过溶胶-凝胶过程制备 高分子压电薄膜或复合
材料。
电纺丝法
利用电场力制备高分子 压电纤维或纳米线。
压电共混法
其他方法
将压电陶瓷颗粒与高分 子基体共混，制备高分
子压电复合材料。
包括化学气相沉积、物 理气相沉积、喷涂法等。
出了多种具有优良性能的材料，并在一些领域得到了应用。
02 03
存在问题与挑战
然而，高分子压电材料和热电材料的研究仍面临一些问题和挑战，如性 能稳定性、耐温性、耐候性等方面的不足，以及制备工艺和成本等方面 的限制。
PVDF技术参数
聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。
到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。
锦州科信电子材料有限公司以清华大学为技术依托，成功地实现了PVDF压电膜国产化批量生产。
它具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。
与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。
在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。
产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。
性能及特点：PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用。
PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；电容值高，可以采用低淙胱杩沟囊瞧髯鞯推到邮铡?SPAN lang=EN-US>PVDF压电膜优点如下：(1) 良好的工艺性。
可用现有设备进行加工；(2) 能制作大面积的敏感元件；(3) 频带响应宽(0～500MHz)；(4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；(5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)；(6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；(7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值；(8) 与压电陶瓷相比有更低的导热性；并能制得更薄的薄膜；(9) 柔软坚韧(PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍,并且轻(比重只有PzT的1/4左右)；能制成所需的各种较复杂的形状(锥形、穹顶形等)，可使用在需要具有特殊定向的元件中。
pvdf压电材料制备工艺
pvdf压电材料制备工艺PVDF压电材料制备工艺PVDF（聚偏氟乙烯）是一种高分子材料，具有良好的压电性能，因此被广泛应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
下面介绍一下PVDF压电材料的制备工艺。
1. PVDF的制备PVDF的制备一般采用溶液法或熔融法。
溶液法是将PVDF溶解在适当的溶剂中，然后通过蒸发或冷却结晶的方式得到PVDF。
熔融法是将PVDF加热至熔点，然后通过冷却结晶的方式得到PVDF。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
2. PVDF压电材料的制备PVDF压电材料的制备一般采用拉伸法或压延法。
拉伸法是将PVDF薄膜在一定的温度和拉伸速度下进行拉伸，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
压延法是将PVDF薄膜在一定的温度和压力下进行压延，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
3. PVDF压电材料的应用PVDF压电材料的应用非常广泛，主要应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
其中，压电传感器是PVDF压电材料的主要应用领域之一，它可以将机械信号转换为电信号，从而实现对机械信号的检测和测量。
压电马达是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为机械运动，从而实现对机械运动的控制和调节。
压电声波器件是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为声波信号，从而实现对声波信号的发射和接收。
PVDF压电材料具有良好的压电性能，制备工艺也比较简单，因此在压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域有着广泛的应用前景。
电子材料压电材料
电子材料压电材料一、压电材料定义压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，能够将机械压力转化为电荷信号或者将电场转化为机械运动。
这种材料的压电效应来源于晶格结构的非对称性，当外力作用于压电材料上时，会导致其中的电荷分布不均匀，产生电势差，从而产生电荷信号。
相反，当施加电场时，材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动，这就是逆压电效应。
、压电材料类型1、晶体类压电材料：如石英等，它们具有优异的压电性能，但成本较高。
2、陶瓷类压电材料：如铅酸钡、钛酸钡等，它们是应用最广泛的压电材料之一，具有良好的压电性能和较低的成本。
3、高分子类压电材料：如聚乙烯二醇、聚偏氟乙烯等，这些材料具有良好的柔韧性和可塑性，适用于一些特殊应用场合。
4、单晶类压电材料：如压电单晶铁酸锆、压电单晶铁酸钛等，这些材料具有极高的压电性能，适用于一些高端应用领域。
5、复合类压电材料：如压电陶瓷-高分子复合材料等，这些材料综合了多种材料的优点，具有比较优异的压电性能和机械性能，适用于一些特殊的应用场合。
三、压电材料原理压电材料的原理是基于晶体结构的非对称性，当施加外力或电场时，晶体结构会发生形变，导致其中的正负电荷分布不均，从而产生电势差。
这种现象被称为直接压电效应。
具体来说，压电材料的晶体结构可以被看作是由正负离子交替排列而成的极化晶体。
当施加外力（如压力、挤压、弯曲等）时，晶体结构会发生畸变，导致其中的正负离子分布不均，从而产生电势差。
这个电势差就是压电材料产生的电信号。
逆压电效应与直接压电效应相反，即当施加电场时，压电材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动。
四、压电材料应用1、传感器：压电材料可以将机械压力转化为电信号，因此常被用作传感器的敏感元件。
例如，压电材料可以用于测量压力、重量、应力、振动等物理量。
2、声波器件：压电材料的逆压电效应可以将电信号转化为机械振动，因此可以制成各种声波器件，如扬声器、麦克风、声波传感器等。
高分子压电材料((1))
①结晶高分子+压电陶瓷 ②非晶高分子+压电陶瓷
高分子压电材料发展：
1940年，前苏联发现木材具有压电性.之后相继发现苎麻， 丝竹，动物的骨，腱，皮肤，筋肉，头发和血管等都有压 电性 1950年，日本开始研究纤维素和高取向，高结晶度生物体的 压电性
压 电 显 示 屏
听诊器
生活中随 处可见压电 材料应用
煤气灶压电点火装置
压电效应：
高分子压电材料的优点：
（区别于无机压电材料及热电材料） 柔而韧，可制成大面积薄膜，便于大规模集成化，具有力学 阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合等优越性，比常规 无机压电材料有更为广泛的应用前景。
高分子压电材料分类
1960年，发现人工合成高聚物的压电性。
1969年极化的聚偏二氟乙烯（PVDF）被发现具有强的压电 性，压电高分子材料开始逐步被推向实用化阶段。
目前已知压电性较强的高分子材料除了PVDF及其共聚物外 还有聚氟乙烯（PVF），聚氯乙烯（PVC），聚-γ-甲基L-谷氨酸酯（PMLG），聚碳酸酯（PC）和尼龙-11等。
pvdf聚偏二氟乙烯优良的高分子压电材料柔软而有耐性耐冲击既可以加工成几微米厚的薄膜也可弯曲成任何形状也利于器件小型声阻低可与液体很好的配合其他压电高分子尼龙7尼龙9尼龙11新的压电材料将两种单体芳香二胺及二异氰酸酯在真空中蒸发到基板上预聚之后在电场下偶极取向然后聚合为高聚物
高分子压电材料
班级： 姓名： 学号：
高分子驻极体 ——最有实用价值的压电材料
定义：偶极取向可在冷却后被固定，能长期保持极化状态的 聚合物电介质材料
成型方法:
极性高分子（高 温软化后熔融状 态） 高直流 电压 极性高分子材料 被极化
高分子压电材料()
除了聚合物基压电材料外，还有一些高 分子复合压电材料，如聚合物/陶瓷、 聚合物/纤维复合材料等，这些材料通 过不同材料的协同作用，实现了优异的
压电性能。
生产工艺的改进与成本控制
高分子压电材料的生产工艺对材料的性能和成本具有重要影响。传统的生产工艺流 程长、能耗高、成本高，因此需要不断改进生产工艺，降低成本。
要点二
详细描述
高分子压电材料能够将机械能转换为电能，因此在太阳能 和风能发电领域具有潜在的应用价值。通过利用高分子压 电材料的特性，可以开发出更为高效和可靠的发电装置， 为新能源技术的发展提供有力支持。
在智能传感器和执行器中的应用前景
总结词
高分子压电材料在智能传感器和执行器领域 具有广泛的应用前景，如智能机器人、智能 穿戴设备等。
聚合物复合材料
总结词
通过将压电陶瓷与高分子材料复合，获得优异的压电性能和良好的加工性能。
详细描述
聚合物复合材料是一种由压电陶瓷和有机高分子材料复合而成的新型材料。这种 材料结合了压电陶瓷的高压电性能和有机高分子材料的易加工性，使得聚合物复 合材料在压电传感器、换能器等领域具有广泛的应用前景。
有机聚合物
特性
具有压电性、弹性、介电性等特 性，广泛应用于传感器、换能器 、驱动器等领域。
高分子压电材料的出现与发展
出现
随着高分子材料科学的发展，人们发现某些高分子材料也具 有压电性，从而开启了高分子压电材料的研究与应用。
发展
高分子压电材料具有轻质、易加工、低成本等优点，在传感 器、换能器、驱动器等领域展现出巨大的应用潜力。随着技 术的不断进步，高分子压电材料在各领域的应用越来越广泛 ，成为当前研究的热点之一。
总结词
具有较好的柔韧性、质轻、易加工等特点，但压电常数相对较低。
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高分子压电材料分类
• 天然高分子压电材料 • 合成高分子压电材料 • 复合压电材料
①结晶高分子+压电陶瓷 ②非晶高分子+压电陶瓷
高分子压电材料发展：
1940年，前苏联发现木材具有压电性.之后相继发现苎麻， 丝竹，动物的骨，腱，皮肤，筋肉，头发和血管等都有压 电性 1950年，日本开始研究纤维素和高取向，高结晶度生物体的 压电性
其他压电高分子
• 亚乙烯料 将两种单体芳香二胺及二异氰酸酯在真空中蒸发到基板 上，预聚之后在电场下偶极取向，然后聚合为高聚物。
这种方法可以做成各种形状、任意厚度的产品。这 种材料的热稳定性比PVDF好！
压电高分子材料应用 1.电声换能器 利用压电薄膜的横向、纵 向效应，可制成扬声器、 耳机、扩音器、话筒等音 响设备，也可用于弦振动 的测量
高分子压电材料
班级： 姓名： 学号：
压 电 显 示 屏
听诊器
生活中随 处可见压电 材料应用
煤气灶压电点火装置
压电效应：
高分子压电材料的优点：
（区别于无机压电材料及热电材料） 柔而韧，可制成大面积薄膜，便于大规模集成化，具有力学 阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合等优越性，比常规 无机压电材料有更为广泛的应用前景。
1960年，发现人工合成高聚物的压电性。
1969年极化的聚偏二氟乙烯（PVDF）被发现具有强的压电 性，压电高分子材料开始逐步被推向实用化阶段。
目前已知压电性较强的高分子材料除了PVDF及其共聚物外 还有聚氟乙烯（PVF），聚氯乙烯（PVC），聚-γ-甲基L-谷氨酸酯（PMLG），聚碳酸酯（PC）和尼龙-11等。
图：扬声器中运用到压电薄膜
2.双压电晶片
将两片压电薄膜反向黏合起来，当一方拉伸时，另 一方压缩。PVDF双压电晶片比无机双压电晶片产生大得多 的位移量。用PVDF双压电晶片可制成无接点开关、振动传 感器、压电检测器等。在同样应力情况下的输出电压是用锆 钛酸铅Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）制造的传感器的 ７倍左右
３．超声、水声换能器 由于ＰＶＤＦ压电薄膜与水的声阻抗接近，柔韧性好， 能做成大面积薄膜和为数众多的阵列传感点，且成本低，是 制造水声器的理想材料。可用于检测潜艇、鱼群或水下地球 物理探测，也可用于液体和固体中超声波的接受和发射。
图：ＰＶＤＦ压电薄膜传感器
４．医用仪器 • ＰＶＤＦ的声阻抗与人体匹配的很好，可以用来测量人体 的心声、心动、心律、脉搏、体温、ｐＨ值、血压、电流、 呼吸，等一系列数据。目前还可以用来模拟人体皮肤。
５．其他应用 • 压电高分子材料还可以用于地震监测，大气污染监测，引 爆装置监测，各种机械振动、撞击的监测，干扰装置，信 息传感器，电能能源，助听器，计算机和通信系统中的延 迟线等方面。
压电材料展望：
• 未来电池新概念 边打键盘边人肉发电
利用压电材料的性 质，将动能转化成 电能存储，即让使 用者的点击与滑移 动作转换成电池的 电力
高分子驻极体 ——最有实用价值的压电材料
定义：偶极取向可在冷却后被固定，能长期保持极化状态的 聚合物电介质材料
成型方法:
极性高分子（高 温软化后熔融状 态） 高直流 电压 极性高分子材料 被极化
冷却后撤 除电场
驻极体
PVDF——聚偏二氟乙烯 ——优良的高分子压电材料
• 密度为压电陶瓷的1/4，
• 弹性柔顺常数则要比陶瓷大30倍 • 柔软而有耐性，耐冲击，既可以加工成几微米厚 的薄膜，也可弯曲成任何形状，也利于器件小型 化。 • 声阻低，可与液体很好的配合