压电材料详细信息的完整收集
材料原理，材料分类，无机压电材料，有机压电材料，材料应用，换能器，驱动器，传感器，机器人，发展现状，细晶压电陶瓷，PbTiO3基压电陶瓷，压电复合材料，多元单晶压电体，材料参数，基本介绍受压力时两端会出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家p .居里和j .居里发现，在应时晶体上放置重物时，晶体的某些表面会产生电荷，电荷的多少与压力成正比。这种现象被称为压电效应。随即，居里兄弟发现了逆压电效应，即压电体在外加电场的作用下会发生形变。压电效应的机理是压电晶体的对称性低。当压电晶体受外力变形时，胞内正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体宏观极化，晶体表面电荷密度等于极化强度在表面法线方向的投影。因此，当压电材料受到压力变形时，两端会出现不同的电荷。相反，当压电材料在电场中极化时，由于电荷中心的位移，材料会发生形变。压电材料的这些特性可以用来实现机械振动(声波)和交流电之间的相互转换。因此，压电材料广泛用于传感器元件，例如地震传感器、力、速度和加速度测量元件和电声传感器。这种材料应用广泛，比如打火机的火花就采用了这种技术。压电现象是居里兄弟在100多年前研究应时时发现的。那么什么是压电效应呢？当你点燃煤气炉或热水器时，一种压电陶瓷已经悄悄地为你服务了一次。制造商将压电陶瓷藏在这种压电点火装置中。当使用者按压点火装置的弹簧时，传动装置对压电陶瓷施加压力，使其产生高压，然后将电能引向气体的出口放电。结果，气体被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能称为压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，就会产生电位差(称为正压电效应)，反之，就会产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频振动，就会产生高频电流。当高频电信号作用于压电陶瓷时，产生高频声信号(机械振动)，也就是我们通常所说的超声波信号。换句话说，压电陶瓷具有机械能和电能之间的转换和逆转换功能，这种对应关系真的很有意思。压电应时晶体材料压电材料可以由于机械变形产生电场，也可以由于电场的作用产生机械变形。这种固有的机电耦合效应使得压电材料在工程中得到广泛应用。例如，压电材料已被用于制造智能结构，具有自诊断、自适应和自修复功能，在未来的飞机设计中发挥着重要作用。材料的分类无机压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般指压电单晶；压电陶瓷一般指压电多晶体。压电陶瓷是由基本成分的原料混合、成型、高温烧结而成的多晶体，粉末颗粒之间通过固相反应和烧结过程获得的细小晶粒不规则组装而成。压电陶瓷其实就是铁电陶瓷。这种陶瓷的晶粒中有铁电畴。铁电畴由具有反平行自发极化方向的180畴和具有垂直自发极化方向的90畴组成。在人工极化条件下(施加强DC电场)，这些畴的自发极化完全排列在外加电场的方向上，并在去除外加电场后保持剩余的极化强度，因此它们具有宏观压电性。如:钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸锂铅PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器、压电感应器等各种压电器件性能的改善和提高。压电材料压电晶体一般指压电单晶，是按照晶体空间晶格长程有序生长的晶体。这种晶体结构没有对称中心，所以是压电的。例如晶体(应时晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铁电晶体，例如铌酸锂和钽酸锂。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，但机械品质因数低，电损耗大，稳定性差，适用于大功率换能器和宽带滤波器，但对于高频高稳定的应用并不理想。压电单晶体如应时的压电性弱，介电常数低，尺寸受切割限制，但稳定性高，机械品质因数高。它们主要用作标准频率控制的振荡器、具有高选择性的滤波器(主要是高频窄带通)以及高频和高温超声波换能器。铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶(KP ≥ 90%，D33 ≥ 900× 10-3c/n，ε≥20000)因其特殊的性能在国内外已有研究，但由于其居里点较低，还远未投入使用。有机压电材料也叫压电聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)(薄膜)等以它为代表的有机压电材料。这类材料及其柔性、低密度、低阻抗、高电压常数(G)等优点引起了世界范围的关注，并得到了迅速发展。水声超声波测量、压力传感、点火、起爆都有应用。缺点是压电应变常数(D)低，这极大地限制了它作为有源发射换能器的使用。第三类是复合压电材料，由嵌在有机聚合物基体材料中的片状、棒状、棒状或粉末状压电材料组成。至今已广泛应用于水声、电声、超声、医学等领域。如果将其制成水声换能器，不仅具有较高的流体静力响应速率，而且耐冲击，不易损坏，可在不同深度使用。压电材料对于换能器材料的应用领域大致可以分为两大类:振动能和超声振动能-电能换能器，包括电声换能器、水声换能器和超声换能器，以及其他传感器和驱动器。换能器换能器是将机械振动转换成电信号或在电场驱动下产生机械振动的装置。压电聚合物电声器件利用聚合物的横向压电效应，而换能器设计利用聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动。利用上述原理，可以生产出麦克风、立体声耳机、高频扬声器等电声器件。对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特性，开发具有其他现有技术难以实现的特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号传输系统等。在研究之初，压电聚合物水声换能器都是针对军事应用的，比如用于水下探测的大面积传感器阵列和监测系统，后来应用领域逐渐扩展到地球物理探测、声学测试设备等。为满足特定要求而开发的各种原型水声装置，采用不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、叠层片、圆柱体、同轴线等，以充分发挥压电聚合物的高弹性、低密度、易于制备不同截面构件、声阻抗与水相同等特性。最后一个特征使得由压电聚合物制成的水听器能够被放置在被测声场中以感知声场中的声压，而不是因为它们自身的存在。聚合物的高弹性可以减小水听器内的瞬态振荡，从而进一步提高压电聚合物水听器的性能。超声传感器的压电聚合物换能器已成功应用于生物医学传感器领域，尤其是超声成像领域。PVDF薄膜具有优异的柔韧性和成型性，这使得它易于应用于许多传感器产品。压电执行器利用逆压电效应将电能转化为机械能或机械运动。聚合物致动器主要基于聚合物双压电晶片，包括横向效应和纵向效应。基于聚合物双压电晶片的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。将这些创造性的想法付诸实践需要大量的研究。P (VDF-TRFE) * *聚合物的电子束辐照使这种材料具有产生大伸缩应变的能力，从而为开发新型聚合物致动器创造了有利条件。在国防潜在应用前景的驱动下，利用* * *聚合物辐照改性制备全聚合物水声发射装置的研究正在美军的大力支持下系统开展。此外，利用辐射改性聚合物的优良特性，研发其在医用超声、减振降噪等方面的应用。，还需要大量的探索。传感器1。压电压力传感器压电压力传感器是利用压电材料的压电效应制成的。压电压力传感器的基本结构如右图所示。因为压电材料的电荷是一定的，所以在接线时要特别注意避免漏电。压电式压力传感器具有自生信号、输出信号大、频响高、体积小、结构牢固等优点。它的缺点是只能用于动能测量。需要特殊线缆，受到突然震动或过大压力时自恢复较慢。2.压电加速度传感器的压电元件一般由两片压电晶片组成。电极镀在压电晶片的两个表面上，引线被引出。质量块放置在压电晶片上，其通常由相对大的金属钨或具有高比重的合金制成。然后用硬弹簧或螺栓螺母对质量块进行预紧，将整个组件安装在原底座的金属外壳内。为了隔离试件的任何应变传递到压电元件，避免错误的信号输出，一般需要加厚底座或者选择刚度更大的材料，外壳和底座的重量几乎占到传感器的一半。测量时，传感器基座和试件刚性固定在一起。当传感器受到振动力时，由于底座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性较小。因此，质量受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力。这样，质量块具有与作用在压电晶片上的加速度成比例的应变力。因为压电晶片具有压电效应，所以在其两个表面上产生交变电荷(电压)。当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作用力成正比，即与试样的加速度成正比。输出的电量从传感器的输出端引出，输入前置放大器，这样就可以用普通的测量仪器测量出试件的加速度。如果在放大器上加一个合适的积分电路，就可以测出样品的振动速度或位移。机器人安装接近传感器主要有三个目的:一是在接触物体之前获取必要的信息，为下一步的运动做准备；其次，检测机器人手脚的运动空间是否有障碍物。如发现障碍物，及时采取一定措施，避免碰撞；第三，为了获得物体表面形状的一般信息。超声波是人耳听到的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只有20 Hz-20HZ-20000HZ。超声波由于波长短，衍射小，可以成为声线，定向传播。在机器人中使用超声波传感器的目的是检测周围物体的存在，并测量它们之间的距离。一般用于检测周围环境中的大型物体，无法测量距离小于30 mm的物体，超声波传感器包括超声波发射器、超声波接收器、计时电路和控制电路四个主要部分。其工作原理大致如下:首先，超声波发射器向被测物体方向发射脉冲超声波。发射器发出一系列超声波后，自动关机，停止发射。与此同时，超声波接收器开始检测回波信号，计时电路也开始计时。当超声波遇到物体时，会被反射回来。当超声波接收器接收到回波信号时，计时电路停止计时。此时，计时电路记录的时间是从发射超声波到接收回波信号的传播时间。使用传播时间值，可以转换被测物体和超声波传感器之间的距离。转换公式很简单，就是声波传播时间的一半与声波在介质中的传播速度的乘积。超声波传感器的整个工作过程在控制电路的控制下依次进行。除了上述用途，压电材料还有其他相当广泛的应用。如鉴频器、压电振荡器、变压器、滤波器等。发展现状下面介绍几种正在发展的压电陶瓷材料和几种新的应用。细晶压电陶瓷过去的压电陶瓷是由几微米到几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸无法满足需要。将颗粒尺寸减小到亚微米级，可以改善材料的加工性能，使基底更薄，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，降低多层器件的各层厚度，从而降低驱动电压，有利于改善叠层变压器和制动器。减小颗粒尺寸有上面说的那么多好处，但是也带来了减小压电效应的影响。为了克服这种影响，人们改变了传统的掺杂工艺，将细晶粒压电陶瓷的压电效应提高到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。制作细纹材料的成本可以和普通陶瓷竞争。细晶粒压电陶瓷已用于切割和研磨，并制成了一些高频换能器、微制动器和薄型蜂鸣器(瓷砖厚度为20-30 μm)，证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶压电陶瓷材料的研究和应用仍然是热点。钛酸铅系列压电陶瓷钛酸铅系列压电陶瓷最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在烧结困难、极化、产品尺寸大等问题，但人们已经做了大量的改性工作来提高其烧结性。抑制晶粒生长，从而获得晶粒细小且各向异性的改性钛酸铅材料。近年来，改进的PBT-IO-3材料被广泛报道，并被广泛应用于金属探伤和高频器件中。这种材料的开发和应用仍然是许多压电陶瓷工作者关心的话题。压电复合材料由无机压电陶瓷和有机聚合物树脂组成的压电复合材料兼有无机和有机压电材料的性能，并能产生两者都不具备的特性。因此，我们可以根据需要结合两相材料的优点来制作性能良好的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适用于水声换能器。压电复合材料在其他超声换能器和传感器中也有很大的优势。国内学者也对这一领域感兴趣，做了大量的工艺研究，并对复合材料的结构和性能做了一些有益的基础研究工作，致力于压电复合材料产品的开发。多元单晶压电传统压电陶瓷具有比其他类型压电材料更强的压电效应，因此被广泛应用。然而，作为一种大应变、高能量的能量转换材料，传统压电陶瓷的压电效应仍然不能满足要求。所以近年来人们做了大量的工作来开发压电性更好的新型压电材料，现在已经发现并开发了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶(A=Zn2+，Mg2+)。这种单晶的最大d33和k33可分别达到2600pc/N(压电陶瓷d33为850 PC/n)和0.95(压电陶瓷K33为0.8)，其应变>:1.7%，几乎比压电陶瓷的应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电工表示，这种材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。美国、日本、俄罗斯和中国已经开始研究这类材料的生产技术，其批量生产的成功必将带来压电材料应用的快速发展。材料参数压电系数d33
压电系数是压电体将机械能转化为电能或电能转化为机械能的转换系数，反映了压电材料弹性性能和介电性能之间的耦合关系。
自由介电常数ε t33(自由磁导率)
应变为零(或常数)时电介质的介电常数，单位为法拉/米。
相对介电常数ε tr3(相对磁导率)
介电常数εT33与真空介电常数ε0之比，εTr3=εT33/ε0，是一个无量纲的物理量。
介电损耗(介电损耗)
由于极化弛豫过程和漏电导，在电场作用下电介质中损失的能量。
Tgδ(损耗角正切(TG δ)
在正弦交变电场的作用下，流过理想电介质的电流比电压相位超前90 0倍。但由于压电陶瓷样品中的能量损失，前方电流的相角ψ小于90°，其余角δ(δ+ψ= 90°)称为损耗角，这是一个无量纲的物理量。人们通常用损耗角的正切tgδ来表示介质损耗的大小，表示介质的有功功率(损耗功率)。即:电质量因子Qe(电质量因子)
电品质因数的值等于样品损耗角正切值的倒数，是用Qe表示的无量纲物理量。如果用并联等效电路来表示压电陶瓷在交变电场中的样品，Qe=1/ tgδ=ωCR。
机械品质因数Qm(机械品质因数)
压电振动器在谐振时储存的机械能与一个周期内损失的机械能之比称为机械品质因数。它与振荡器参数的关系为:
泊松比
泊松比是指应力作用下固体的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无量纲的物理量，用δ=-S 12 /S11表示。
串联谐振频率fs(串联谐振频率)
压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f·s表示，即
并联谐振频率fp(并联谐振频率)
压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p表示，即f p =谐振频率fr(谐振频率)。
使压电振子电纳为零的一对频率中较低的频率称为谐振频率，用f r表示。
反谐振频率fa(反谐振频率)
使压电振子电纳为零的一对频率中较高的频率称为反谐振频率，用f a表示。
最大准入频率
压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率，此时振子的阻抗最小，所以也称为最小阻抗频率，用f·m表示。
最小准入频率
压电振子导纳最小的频率称为最小导纳频率，此时振子的阻抗最大，所以也称为最大阻抗频率，用f n表示。
基频(基频)
给定振动模式的最低共振频率称为基音频率，通常是基频。
谐波频率(基频)
给定振动模式中基频以外的共振频率称为泛音频率。
温度稳定性(温度稳定性)
温度稳定性是指压电陶瓷的性能随温度变化的特性。
在一定温度下，当温度变化65438±0℃时，某一频率的数值变化与该温度下该频率的数值之比，称为频率的温度系数TKf。
此外，最大相对漂移通常用于表征参数的温度稳定性。
正温度的最大相对频移=△f s(最大正温度)/f s(25℃)
负温度的最大相对频移=△f s(最大负温度)/f s(25℃)
机电耦合系数(机电耦合系数)
机电耦合系数k是弹性-电介质相互作用能量密度V122的平方与存储的弹性能量密度V1和电介质能量密度V2的乘积之比的平方根。
压电陶瓷通常使用以下五种基本耦合系数。
a、平面机电耦合系数KP(反映薄圆板沿厚度方向极化电激励并径向振动时机电耦合效应的参数。)
b、横向机电耦合系数K31(反映细长条沿厚度方向极化和电激励的机电耦合效应的参数，其长度伸缩。)
c、纵向机电耦合系数K33(反映沿细杆长度方向极化和电激励的机电耦合效应，使长度伸缩振动的参数。)
d、厚度伸缩机电耦合系数KT(反映薄片沿厚度方向的极化和电激励的机电效应，以及厚度方向的伸缩振动的参数。)
e、厚度剪切机电耦合系数K15(反映矩形板沿长度方向极化，激励电场方向垂直于极化方向，进行厚度剪切振动时机电耦合效应的参数。)
压电应变常数D(压电应变常数)
压电应变常数是在应力T和电场分量EM(M≠I)都不变的情况下，电场分量E的变化引起的应变分量SI的变化与EI的变化之比。
压电电压常数g(压电电压常数)
这个常数是在电位移D和应力分量TN(N≠I)都不变的情况下，应力分量TI的变化引起的电场强度分量EI的变化与TI的变化之比。
居里温度TC
压电陶瓷只在一定的温度范围内具有压电效应，它有一个临界温度TC。当温度高于TC时，压电陶瓷发生结构相变，这个临界温度TC称为居里温度。
温度稳定性(温度稳定性)
指压电陶瓷的性能随温度变化的特性。通常有两种方法来描述温度稳定性:温度系数或最大相对漂移。
每十年的老化率)Y代表某个参数。
频率常数(频率常数)
对于径向和横向长度伸缩振动模式，频率常数是串联谐振频率和决定该频率的振荡器尺寸(直径或长度)的乘积。对于纵向长度、厚度和伸缩剪切振动模式，频率常数是并联谐振频率与决定此频率的振子尺寸(长度或厚度)的乘积，单位为Hz·m。