压电材料分类和电致伸缩性质讲解
压电材料介绍课件
PCMP
人工材料
人造晶体 正磷酸镓 Gallium orthophosphate (GaPO4) 硅酸锰锑铁矿Langasite (La3Ga5SiO14) 人造陶瓷 钛酸钡 Barium titanate (BaTiO3) 钛酸铅 Lead titanate (PbTiO3) 锆钛酸铅 Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1−x]O3) 铌酸锂 Lithium niobate (LiNbO3) 钽酸锂 Lithium tantalate (LiTaO3) 钨酸钠 Sodium tungstate (Na2WO3)
极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑，它们之间 互有影响，应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
（4）极化程度对性能的影响 压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有 压电性能。 极化就是在直流电场的作用下使铁电畴 沿电场方向取向。 同一配方，如极化条件不同，极化进行 的程度不同，材料的性能指标可以相差很 大。一般随着极化程度的提高，d33、Kp增 加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。 Qm随极化程度的提高而升高。
功能材料
——压电材料
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介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
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压电材料
1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本概念（什么是压电材料？） 压电材料分类 相关压电参数 压电陶瓷工艺 压电材料实例 压电材料应用
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压电效应
1. 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而 使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也随着改变。 2. 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这 些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去 时，这些变形或应力也随之消失的现象。
电致伸缩材料
电致伸缩材料电致伸缩材料（electroactive polymers, EAPs）是一类能够在外加电场作用下发生形变的材料，具有广泛的应用前景。
它们可以通过改变形状、尺寸或者体积来响应外界电场的变化，因此在人工肌肉、智能结构、生物医学器械等领域有着重要的应用价值。
电致伸缩材料的工作原理是基于其分子结构的变化。
一般来说，这类材料中的分子具有极性，当外加电场作用下，分子内部的正负电荷会发生重新分布，从而导致材料产生形变。
目前，电致伸缩材料主要包括电致伸缩聚合物和电致伸缩陶瓷两大类。
电致伸缩聚合物是指在外加电场下能够发生形变的聚合物材料，其分子链的排列和空间构型会随着电场的变化而发生改变。
常见的电致伸缩聚合物包括聚乙烯基氟化物（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）等。
这类材料具有低密度、高拉伸强度、良好的柔韧性和化学稳定性等特点，因此在人工肌肉、柔性传感器、生物医学器械等领域有着广泛的应用。
电致伸缩陶瓷是指在外加电场下能够发生形变的陶瓷材料，其形变主要来源于晶格结构的畸变。
目前，钛酸锆（Zr-Ti-O）和铅镁铌酸钛（PMN-PT）等电致伸缩陶瓷材料已经被广泛研究并应用于智能结构、声波发生器、微运动控制器等领域。
电致伸缩材料具有许多优点，如快速响应、大形变、低密度等，但同时也存在一些挑战和问题。
首先，目前大多数电致伸缩材料的驱动电压较高，需要外加较高的电压才能够产生显著的形变，这限制了其在微型化、便携式设备中的应用。
其次，电致伸缩材料的稳定性和寿命也是当前研究的重点之一，尤其是在复杂的工作环境下，如高温、高湿等条件下的稳定性表现仍有待提高。
总的来说，电致伸缩材料作为一种新型智能材料，在人工肌肉、柔性传感器、智能结构等领域具有广阔的应用前景。
随着材料科学和电子技术的不断发展，相信电致伸缩材料将会迎来更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的科技创新和生活便利。
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
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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。
压电材料、原理、应用精讲
z
x
y
o
01
PART ONE
石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
d11——x方向受力,x方向产生电量的压电系数
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx，其大小为
32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。
自发极化
所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动
Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径
t为薄板的厚度
l为棒的长度
lt为薄板的厚度
6.2.2 压电材料简要发展历史
02
1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。
2、机电耦合系数Kp
ห้องสมุดไป่ตู้
01
伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。
02
包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
03
切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。
04
包括平面切变振动、厚度切变振动。
05
纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。
06
横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。
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。
电致伸缩和磁致伸缩
电致伸缩和磁致伸缩一、电致伸缩技术电致伸缩是一种通过施加电场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的电致变形效应，根据不同的电场强度和极性来调控材料的伸缩行为。
常见的电致伸缩材料包括压电材料、电致伸缩液晶和电致伸缩高分子等。
1.1 压电材料压电材料是最早被发现具有电致变形效应的材料之一，具有压电效应的材料在施加电场后会发生形变。
这种形变可以是线性的、非线性的或者是复合的，取决于材料的结构和电场的作用方式。
压电材料被广泛应用于超声波换能器、声波滤波器和伺服阀等领域。
1.2 电致伸缩液晶电致伸缩液晶是一种利用电场调控液晶分子排列以实现材料伸缩变形的技术。
通过改变电场的强度和方向，可以实现液晶分子的有序排列或者无序排列，从而引起液晶体的伸缩变形。
电致伸缩液晶在显示技术、光学调制和光学变焦等领域有着广泛的应用。
1.3 电致伸缩高分子电致伸缩高分子是一种能够在电场作用下实现形变的聚合物材料。
通过在高分子链上引入电活性基团或者电荷基团，可以实现高分子材料的电致变形。
电致伸缩高分子被广泛应用于人工肌肉、可穿戴设备和智能结构等领域。
二、磁致伸缩技术磁致伸缩是一种利用磁场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的磁致变形效应，根据不同的磁场强度和方向来控制材料的伸缩行为。
常见的磁致伸缩材料包括磁形记忆合金、磁流变流体和磁致伸缩复合材料等。
2.1 磁形记忆合金磁形记忆合金是一种具有磁致变形效应的智能材料，能够在磁场的作用下发生形变。
磁形记忆合金通常由镍、钴和铁等元素组成，在不同的磁场强度和方向下会产生不同的形变效应。
磁形记忆合金在医疗器械、航空航天和汽车工程等领域有着广泛的应用。
2.2 磁流变流体磁流变流体是一种能够在磁场的作用下改变流变性质的智能材料，通常由磁性粒子和悬浮介质组成。
通过改变磁场的强度和方向，可以调节磁流变流体的粘度和流动性，从而实现材料的伸缩变形。
磁流变流体被广泛应用于减震器、密封件和振动控制系统等领域。
新型电致伸缩材料及应用
新型电致伸缩材料及应用随着科技的不断发展，材料科学也在不断地进步和创新。
其中，电致伸缩材料是一类独特的材料，在各个领域得到广泛应用。
电致伸缩材料是指在电场作用下，能够发生显著的尺寸变化的材料。
其具有优异的机械性能、化学稳定性和电性能，因此被广泛应用于传感器、执行器、微机电系统（MEMS）、智能材料、光学器件等领域。
电致伸缩材料的种类很多，其中最常见的是压电材料、电致发光材料、电致变色材料和电致相变材料。
压电材料是指在电场作用下，产生机械变形的材料。
电致发光材料是指在电场作用下，产生发光现象的材料。
电致变色材料是指在电场作用下，发生颜色变化的材料。
电致相变材料是指在电场作用下，发生相变的材料。
这些材料在不同的领域和应用中发挥着重要的作用。
压电材料是电致伸缩材料中最常见的一种。
它们具有良好的机械性能和电性能，并且能够把电能转化为机械能。
因此，压电材料被广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
例如，压电陶瓷材料能够将电信号转化为机械运动，被广泛应用于超声波探测、医疗器械、航空航天等领域。
此外，压电聚合物材料也具有良好的机械性能和电性能，被广泛应用于电致变形、电致发光等领域。
电致发光材料是指在电场作用下，产生发光现象的材料。
这种材料被广泛应用于光电器件、显示器、照明器具等领域。
例如，有机电致发光材料是一种新型的发光材料，具有高效率、高亮度、低成本等优点，因此被广泛应用于平板显示器、光纤通信、照明等领域。
此外，无机电致发光材料也被广泛应用于LED、荧光体等领域。
电致变色材料是指在电场作用下，发生颜色变化的材料。
这种材料被广泛应用于光学器件、光学存储器、光学开关等领域。
例如，电致变色液晶材料是一种新型的光学材料，具有优异的光学性能和电性能，被广泛应用于平面显示器、光学存储器等领域。
此外，电致变色聚合物材料也被广泛应用于光学开关、光学传感器等领域。
电致相变材料是指在电场作用下，发生相变的材料。
这种材料被广泛应用于存储器、热控制器、温度传感器等领域。
压电材料的制备及其性能研究
压电材料的制备及其性能研究一、引言压电材料是一类具有压电效应的材料，当外界施加力或压力时，会发生电荷分离，从而产生电势差和电场。
其应用广泛，涉及到传感、控制、电信、声纳等多个领域。
压电材料的制备和性能研究是压电技术研究的重要内容。
二、压电材料分类压电材料根据其晶体结构和物理特性可分为无机压电材料、有机压电材料和生物压电材料三类。
1. 无机压电材料无机压电材料是指无机材料中具有压电效应的材料，主要包括晶体和陶瓷两种，如晶体硅、石英、铁电体等。
2. 有机压电材料有机压电材料指的是含有分子内部电荷重新分布结构的有机物质，如聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮等。
3. 生物压电材料生物压电材料是指生物体中具有压电效应的物质，如一些骨骼、牙齿、肌肉等。
三、压电材料制备压电材料的制备方式多种多样，但无论是哪种制备方式，都离不开材料的前处理、原料选择、合成方法、加工工艺等环节。
1. 前处理前处理主要包括清洗、烘干、研磨等工序。
清洁表面是保证良好结晶的重要因素，烘干则有助于去除水分和有机物质。
此外，研磨可使得材料更加均匀分散，有利于标准样品的制备。
2. 原料选择原料的选择对于材料性能有着重要的影响。
对于无机压电材料而言，一般选择具有极性化学键的物质作为原料，如硅酸盐等；有机压电材料中，聚偏氟乙烯等共价键较强、极性较大的材料往往具有较好的电致伸缩性能。
3. 合成方法合成方法也是影响材料性能的重要因素。
无机压电材料主要通过物理气相沉积、溶胶-凝胶法等方法得到。
有机压电材料的合成则更加复杂，如聚合物的化学氧化法、分子印迹法等。
4. 加工工艺材料的加工和制备一样，对于材料性能也有巨大的影响。
无机压电材料一般采用直接烧结、热压等方法进行加工。
有机压电材料则需要通过拉伸、涂覆等方法进行加工。
四、压电材料性能研究压电材料的性能研究是压电技术的关键，其中包括对压电材料的电致伸缩性能、介电性质、热学等性质进行研究。
1. 电致伸缩性能电致伸缩性是压电材料最重要的特性之一，通常使用压电常数来表示。
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•
（7.9） d S T 2 G 2 X ,Ed T T 2 G X i EX i T 2 G E m XE m
• 引入
• （7.10） X i2 G EmTE m 2 G XiT E xm i T ,X DXmi
T ,E
dmTi
E m 2 G T X T 2 G E m X D T m X ,E E S m T ,X p m X
电场附近作泰勒展开，取近似只保留一次项
•
xi x T i X,EdT X xij T,EXj E xm i T,XE m
（7.4）
• •
D m D T m X,EdT D X m i T,EX i D E m n T,XE n
（7.5）
•
dS T S X,EdT X Si T,EX i E S m T,XE m（7.6）
• 虽然电致伸缩效应通常很弱，但在某些铁电体中 稍高于居里点时却相当强，而且铁电相压电常量 与电致伸缩系数有关，因此，研究电致伸缩也有 实用和理论两方面的意义。
§ 7．1 压电效应
7.1.1 线性状态方程和线性响应系数 • 处理电介质平衡性质的基本理论是线性
理论。该理论成立的条件是系统的状态 相对其初始态的偏离较小，在特征函数 对独立变量的展开式中可忽略二次以上 的高次项，而在热力学量对独立变量的 展开式中可以只取线性项。
• 考虑以温度T、应力X和电场E为独立变量时，相应 特征函数为吉布斯自由能G。
• 假设温度、应力和电场分别发生小变化dT、dX和
dE，且初始态应力和电场为零，故dX=X，dE＝E。
这些变化足够小时，可用泰勒级数展开G，只取到
二次项
G
G0
G T
dT
G X i
Xi
G Em
Em
1 2
2G T 2
(dT )2
• 第一，1916年朗之万发明了用石英晶体制作的 水声发射器和接收器，并用于探测水下的物体。
• 第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐 振频率附近特异的电性能研究发明了谐振器。
• 前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料 在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础。
• 压电效应早期研究主要针对罗息盐和石英晶体进 行。全面反映在Cady经典著作《压电性》。1930 年 代 出 现 铁 电 体 KDP 系 列 晶 体 ( 包 括 反 铁 电 体 ADP)。1940年代出现BaTiO3。
石酸钾钠() ，在科学界引起很大兴趣。
• 1881Lippman应用热力学原理预言逆压电 效应(converse piezoelectric effect)，即电 场可引起与之成正比的应变。这一预言 被居里兄弟用实验所证实。
压电材料的实用化
• 压电材料实用化是进一步研究压电效应推动力。 实用化方面早期有两个奠基性的工作：
弹性电介质的线性状态方程
• 于是式（7.7）—（7.9）成为
•
xiaiEdTsiE j,TXjdm TiE m （7.16）
•
• •
这就D d 是S m 弹 性p cT m 电X Ed ,X 介T d质 Td 的m T a i线X iEX 性i i状m T 态pn ,m X X 方E E m n 程。（ （方77程..11中87） ）的系数
•
2G XiT
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•
2G XiXj
T,EX 2xji T,EsiE j,T
•
E m 2G EmT,XD Em n T,Xm Tn,X
• •
T 2G 2X,ET SX,EcTE,X
（7.11）
（7.12）
（7.13） （7.14） （7.15）
• 1947年发现BaTiO3陶瓷强直流电场作用后也具有 压电性，结束压电材料局限于单晶的局面。这一 阶段成果在Mason的经典著作《压电晶体及其在 超声中的应用》有全面的论述。
• 后来陆续出现了新型压电晶体和以PZT为主性能 优异压电陶瓷，并出版了关于压电陶瓷的专著。
• IRE(以及后来的IEEE)制订和发布一系列关于压 电晶体的标准，推动测量方法的规范化和现代化。
• 利用式（7.3），此三式成为
•
（7.7） x i X 2 iG T Ed T X i2 G X j T ,EX j X i2 G E m TE m
•
（7.8） D m E m 2 G T Xd T E m 2 G X i TX i E m 2 G E n T ,XE m
为线性响应系数，它们是电介质物性参量。上标标
明响应过程中保持不变的量。由式(7.10)-(7.15)可
知，这些线性响应系数是特征函数展开式中二次方
项系数，表明特征函数展开式到二次方项等效于在
线性范围描写电介质，二次方项的系数就是相应的
• 所有这些成果使压电材料在机电换能、传感计测、 频率选择和控制等方面实现了广泛的应用。
电致伸缩 (electrostriction)
• 电致伸缩(electrostriction)是电介质另一种电弹效 应(electro-elastic effect)。它反映的是应变与电场 强度平方之间的正比关系，因此电致伸缩系数是 一个四阶张量。
压电材料分类和电 致伸缩性质讲解
第七章 压电材料和电致伸缩
• 压电效应(piezoelectric effect)：1880年居里两 兄弟在研究热电性与晶体对称性关系时，发现 压力可产生电效应，即在某些晶体特定方向加 压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而 且电荷密度与压力大小成正比。例：铁电体酒
1 2
2G X iX
j
XiXjBiblioteka 1 22G EmEn
Em En
2G T X i
X idT
2G T Em
EmdT
2G X iEm
X iEm
• 因为
d G S d T x id X i D m d E m (7.2)
• 所以 G TS, X G i xi, E G mD (m 7.3) • 将dS，x和D看成dT，X和E函数，在零应力和零