压电陶瓷振动的有限元分析ansys

第一章绪论

1.1压电材料概述

1.1.1压电效应

1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关，这种现象称为压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。

压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。当对压电陶瓷施加一个与极化方向平行的压力F，如图1.1（a）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应的现象就是压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应。如图所示：

图1.1 压电效应示意图:（a）正压电效应（b）负压电效应正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电效应。

逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。

1.1.2压电陶瓷的诞生与发展

具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷，1942年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。

当今广泛应用的压电陶瓷是PZT ，即()3,O Ti Zr Pb 压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的33PbTiO PbZrO -二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的两倍。此外，若在PZT 的组成中加入()3O Nb Mg Pb -后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。

1.2压电材料的应用

自 1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来 ,作为压电陶瓷的应用产品 ,已遍及人们生活的各个方面.压电材料作为机电耦合的纽带 ,其应用非常广泛，下面我们来举其中几例：

① 声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。

②压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。

③压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，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使用100万次以上。

除此之外，压电变压器、压电换能器、压电超声马达等也是压电陶瓷的重要应用。

1.3压电陶瓷的发展现状和趋势

1.3.1压电陶瓷的发展现状

压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力因素等方面展开的，国外的科学家们尝试了多种压电陶瓷发电方式，目前，有关这方面的研究已经在美国、荷兰、西班牙等国家相继开始，而国内对压电发电的研究尚处于起步阶段。

1996年，荷兰的Thad Starner等利用压电陶瓷收集“开、合”笔记本电脑的运动能量，用以驱动笔记本电脑，自此开创了压电发电与能量存储技术这一研究领域。

日本科学家梅田干雄等（1996,1997）用一个自由落体的球去撞击表面粘有压电陶瓷的金属薄板（压电振子），并设计了一个等效的机电转化电路模型，计算了该模型能够产生电荷的数量，对利用整流桥和电容搭建的存储电路进行了转化效率方面的研究，计算得出这种存储方法的最大转换效率为35％，是太阳能电池转化效率的3倍多，同时分析得出：提高机械品质因数、机电耦合系数和降低介电损失可以进一步提高压电发电装置转化效率。但是该研究人员还指出，在

实际应用中，压电发电装置很难达到理想状态的35％转化效率，目前所能达到的转化效率在25％—30％之间。他们的工作证实了利用压电发电装置发电的高效性。

美国科学家Elvin（2001）认为随着电子产品功耗的不断降低，利用能量收集装置将环境中的能量收集起来用来充当无线发射器的电源将成为可能。它所设计的发电装置是由一个贴有压电陶瓷的梁构成，利用整流桥和电容收集压电发电装置产生的电荷，无线发射器由电容收集的能量来供电，这个电容允许充电到1.1v,然后放电到0.8v停止，充放电过程大约需要1秒钟。由此证明，利用压电发电为无线发射器供电时可行的。

韩国科学家Ji-Yoon Kang和Hyung-Jun Kim提出了一种优化设计压电发电装置方法，可以最大限度的提高微型压电发电装置的发电能力。所设计的微型发电装置的核心器件是悬臂支撑的矩形压电振子，依靠对其施加周期的均匀载荷使其发生变形而产生电荷。研究结论得出：压电陶瓷晶片与金属基板的厚度比为0.525，长度比为0.6的压电振子是最适合制作压电发电装置的。而且从理论分析还得出当加大施加载荷时可以有效提高压电发电装置的发电能力。

目前，利用压电材料进行振动能量回收的研究主要集中在三个方面，即材料、结构和接口电路。从提高材料性能的角度出发，可以采用压电单晶、压电功能梯度材料、多层压电陶瓷等，但这些材料制作费用比较昂贵。综合考虑成本和回收效果，目前主要采用的材料还是压电陶瓷或压电双晶片。

1.3.2压电陶瓷的发展趋势

近年来，压电陶瓷的发展呈现了一些新的趋势，主要如下：

①无铅压电陶瓷无铅压电陶瓷,也被称为环境协调性压电陶瓷,它要求陶瓷材料在制备、使用、废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质,以避免对人体健康造成危害,减少环境污染。然而,目前使用的压电陶瓷材料主要以PZT为基材料,其压电性能大大优越于其它压电陶瓷材料,而且可以通过掺杂改性和工艺控制调节材料的电学性能,以满足各种应用需求。目前,对无铅系压电材料的研究主要经历了从钛酸钡基、钛酸铋钠基、