電工材料及應(yīng)用續(xù)二課件

電工材料及應(yīng)用(續(xù)二)功能材料

一、概述（一）功能材料的概念

功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和生物性能及其轉(zhuǎn)化的功能，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息和能量的感受、計(jì)測(cè)、顯示控制和轉(zhuǎn)化為主要的非結(jié)構(gòu)性高新材料。

（二）功能材料的特點(diǎn)

1.多功能化

如NiTi合金，既具有形狀記憶功能，又具有結(jié)構(gòu)材料的超彈性性能。

2.材料形態(tài)的多樣性

同一成分的材料形態(tài)不同時(shí)，常會(huì)呈現(xiàn)不同的功能。如Al2O3陶瓷材料，拉成單晶時(shí)為人造寶石；燒結(jié)成多晶時(shí)常用作集成電路基板材料、透光陶瓷等；多孔質(zhì)化時(shí)是催化劑的良好載體與過(guò)濾材料；纖維化時(shí)為良好的絕熱保溫材料。

3.材料與元件一體化

結(jié)構(gòu)材料常以結(jié)構(gòu)形式為最終產(chǎn)品，而功能材料則以元件形式為最終產(chǎn)品。

4.制造與應(yīng)用的高技術(shù)性，性能與質(zhì)量的高精密性及高穩(wěn)定性

為了賦予材料與元件的特定性能，需要嚴(yán)格控制材料成分（如高純度或超高純度要求、微量元素或特種添加劑含量等）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面質(zhì)量，這往往需進(jìn)行特殊制備與處理工藝。

材料的鐵電性

當(dāng)正向電場(chǎng)逐漸減小至0時(shí)，仍存在不為零的極化強(qiáng)度，稱剩余極化強(qiáng)度Pr。同樣，當(dāng)反向電場(chǎng)逐漸減小至0時(shí)，也存在不為零的剩余極化強(qiáng)度（-Pr）。

一、鐵電性的基本特征

1、鐵電材料在電極化中存在電滯回線形式的宏觀特性右圖是單晶鐵電體的電滯回線。電滯回線B-C線性部分反向外推至E＝0在縱軸P上的截距稱為飽和極化強(qiáng)度Ps。當(dāng)電場(chǎng)反向達(dá)到ＥF時(shí)，剩余極化才全部消失。反向電場(chǎng)繼續(xù)增大，極化強(qiáng)度才開(kāi)始反向。EF常稱為矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。

2、晶體結(jié)構(gòu)是非中心對(duì)稱的.

晶體的對(duì)稱性決定著晶體的很多物理性質(zhì)，在描述晶體對(duì)稱性的32種點(diǎn)群中，有20種是非中心對(duì)稱點(diǎn)群。在非中心對(duì)稱點(diǎn)群晶體中可能出現(xiàn)一些特殊的物理性質(zhì)。

幾種與晶體對(duì)稱性相關(guān)的重要物理性質(zhì)：A：對(duì)映體現(xiàn)象，B：旋光性，C：熱釋電效應(yīng)D：鐵電效應(yīng)，E：壓電效應(yīng)，F(xiàn)：二次諧波倍頻效應(yīng)

當(dāng)溫度降低到120度時(shí)，TiO6八面體基團(tuán)發(fā)生畸變，基團(tuán)中的Ti沿4次軸相對(duì)O原子移動(dòng)12pm，Ba也在同方向移動(dòng)6pm，O原子也偏離了正八面體。此時(shí)晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，沒(méi)有對(duì)稱中心，每個(gè)晶包就具有自發(fā)非零電偶極矩，晶體也就變成了鐵電體。4、晶體中存在電疇形式的微結(jié)構(gòu)

5、在外加電場(chǎng)下，晶體中的電矩可轉(zhuǎn)變方向。

6、存在一個(gè)居里溫度Tc(常稱居里點(diǎn))，當(dāng)T>Tc時(shí)，材料由鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵瑯O化時(shí)電滯回線特性消失，P與E一般呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且介電常數(shù)隨溫度的變化服從居里-外斯定律：式中C為居里-外斯常數(shù)，T0為居里-外斯溫度。對(duì)連續(xù)相變，T0=Tc；對(duì)一級(jí)相變，T0<Tc。二、鐵電晶體的分類迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的材料，就有一千多種，它們可以按不同方法進(jìn)行分類。雙氧化物鐵電體：如BaTiO3（BaO－TiO2）、KNbO3（K2O-Nb2O5）、LiNbO3（Li2O－Nb2O5）等，這類晶體是從高溫熔體或熔鹽中生長(zhǎng)出來(lái)的，又稱為硬鐵電體．它們可以歸結(jié)為ABO3型，Ba2+，K+、Na+離子處于A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+離子則處于B位置。1．按結(jié)晶化學(xué)分類：根據(jù)鐵電晶體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，可分為含有氫鍵的鐵電體：磷酸二氫鉀（KDP）、三甘氨酸硫酸鹽（TGS）、羅息鹽（RS）等。這類晶體通常是從水溶液中生長(zhǎng)出來(lái)的，故常被稱為水溶性鐵電體，又叫軟鐵電體；

4、按相轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)構(gòu)分類

有序一無(wú)序型轉(zhuǎn)變的鐵電體：其轉(zhuǎn)變是同離子個(gè)體的有序化相聯(lián)系的．有序一無(wú)序型鐵電體包含有氫鍵的晶體，這類晶體中質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)與鐵電性有密切關(guān)系。如磷酸二氫鉀（KDP）及其同型鹽就是如此。

位移型轉(zhuǎn)變的鐵電體：這類鐵電晶體的轉(zhuǎn)變是與一類離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系。屬于位移型鐵電晶體的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物；5．按極化反轉(zhuǎn)時(shí)原子位移的維數(shù)分類（“維度模型”分類）

二維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)，各原子的位移處于包含極軸的平面內(nèi)，如NaNO2；

一維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)，其每一個(gè)原子的位移平行于極軸，如BaTiO3；

三維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)在所有三維方向具有大小相近的位移，如NaKC4H4O6·4H2O。

第三類鐵電體：C值大約在10K數(shù)量級(jí)。它們是非本征鐵電體，其鐵電性起因于壓電性與彈性不穩(wěn)定性的藕合，如Gd3(MoO4)2等。

6、按居里-外斯常數(shù)的大小分類第二類鐵電體：C值大約在103K數(shù)量級(jí)。它們的相變大多屬于有序-無(wú)序型，具有氫鍵或亞硝酸鈉離子有關(guān)的分子基團(tuán)。第一類鐵電體：C值大約在105K數(shù)量級(jí)。它們的相變大多屬于位移型，以雙氧化物居多。

1、傳統(tǒng)電存儲(chǔ)器的問(wèn)題：存儲(chǔ)器有兩大類：易失存儲(chǔ)器（volatilememory）和非易失存儲(chǔ)器（non-volatilememory）。五、鐵電性的主要應(yīng)用：鐵電存儲(chǔ)非易失性存儲(chǔ)器（如EPROM、E2ROM和Flash）能在斷電后保存數(shù)據(jù)不變，但由于所有這些存儲(chǔ)器均起源只讀存儲(chǔ)器（ROM）技術(shù)，因此它們都有寫入速度慢，寫入次數(shù)有限和使用時(shí)功耗大等缺點(diǎn)。易失性存儲(chǔ)器（如SRAM和DRAM存儲(chǔ)器）在沒(méi)有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存儲(chǔ)器擁有高性能，存取速度快和很高的寫入次數(shù)，易用等優(yōu)點(diǎn)。2、傳統(tǒng)RAM的情況：多為MOS型半導(dǎo)體電路，分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）兩種。RAM還應(yīng)用于顯卡、聲卡及CMOS等設(shè)備中，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。

SRAM是靠雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)記憶信息的，它常用于各種高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來(lái)記憶信息的。由于電容上的電荷會(huì)泄漏，需要定時(shí)給與補(bǔ)充，所以動(dòng)態(tài)RAM需要設(shè)置刷新電路。但動(dòng)態(tài)RAM比靜態(tài)RAM集成度高、功耗低，從而成本也低，適于作大容量存儲(chǔ)器。所以主內(nèi)存通常采用動(dòng)態(tài)RAM。3、傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)：如EEPROM和FlashEPROM，都是基于電荷存儲(chǔ)技術(shù)原理來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些存儲(chǔ)器都是迫使電子通過(guò)半導(dǎo)體薄層，利用捕獲的電子來(lái)表示數(shù)據(jù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)狀態(tài)由是否能捕獲到足夠的電子來(lái)決定。這些電子的運(yùn)動(dòng)最終要引起半導(dǎo)體薄層的擊穿，所以對(duì)大多數(shù)這樣的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其可以擦除/重寫的次數(shù)都不大于一百萬(wàn)次，指標(biāo)一般只有1萬(wàn)-10萬(wàn)次。在實(shí)際使用中，由于各種不同的原因，往往真正能可靠重寫入的次數(shù)還要比這少很多。

由于FRAM的鐵電材料本身就有固有的雙穩(wěn)特性，它并不需要用擊穿的方法強(qiáng)迫電子通過(guò)半導(dǎo)體薄層，所以其擦除/重寫的次數(shù)比EEPROM和Flashmemory高得多，可達(dá)1014-1016次。

FRAM無(wú)限次快速擦寫和非易性的特點(diǎn)，令它的系統(tǒng)工程師可以把現(xiàn)在在電路上分離的SRAM和E2ROM兩種存儲(chǔ)器整合到一個(gè)FRAM里，為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省了功耗，降低了成本，減小了體積，同時(shí)增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用

典型應(yīng)用包括：儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、游戲機(jī)、計(jì)算機(jī)等等。鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)擁有隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和非易失性存儲(chǔ)器（EPROM、E2ROM、FLash）的特性。

FRAM的發(fā)展計(jì)劃

年200120022003200420052006200720102013技術(shù)130nm115nm100nm90nm80nm70nm65nm45nm32nm通用存儲(chǔ)器(位)1M4M16M64M64M128M256M1G2G混合存儲(chǔ)器(字節(jié))32K128K512K2M2M4M8M32M128M存取時(shí)間(ns)80655540303020108單元尺寸(μm154.91.50.5180.3240.3240.1690.080.039工作電壓(V)332.51.81.51.51.210.7讀寫次數(shù)（以10的方次表示）121314151616以上16以上16以上16以上鐵電薄膜材料PZT.SBT/PZT,SBT,BLT,等鐵電薄膜材料形成法PVD,CSD/PVD,CSDMOCVD,等六、關(guān)于鐵電性的研究動(dòng)態(tài)1、一些正在研究的問(wèn)題：①最佳材料組份。②最佳制膜技術(shù)。③鐵電薄膜與半導(dǎo)體的集成技術(shù)。④疲勞機(jī)制和改進(jìn)方法。⑤極化反轉(zhuǎn)的微觀過(guò)程及其控制。⑥電極材料的選用和電極制備方法。⑦界面（包括膜與基底或過(guò)渡層、膜與電極間的界面以及晶粒間界）的影響。⑧微結(jié)構(gòu)的控制。⑨空間電荷和電荷運(yùn)輸。⑩最佳厚度和最佳晶粒尺寸。新發(fā)展出來(lái)的一些其他類型的鐵電材料，如(Ba,Sr)TiO3-------BST,SrBi2Ta2O9-------SBT,Bi4Ti3O12-------

BTO,PbScTaO3-------

PST,KNbO3-------KNO,Ba2LiNb5O15-------BLN,KTaNbO(KTN尤其是BST和SBT在介電特性，疲勞特性等方面優(yōu)于PLZT系列材料，可廣泛用于FRAM，電容器，紅外探測(cè)器等。3、有關(guān)鐵電薄膜的制備技術(shù)、表征方法和成膜機(jī)制的研究在不斷發(fā)展。

4、鐵電薄膜的諸種應(yīng)用，最終離不開(kāi)電信號(hào)的檢測(cè)與控制，因而制備良好的電極體系和在其上面制備優(yōu)良的鐵電薄膜是鐵電薄膜走向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。選擇電極體系主要是考慮如何有效的防止鐵電薄膜與襯底之間的相互擴(kuò)散，解決電極與鐵電薄膜的晶格匹配、歐姆接觸問(wèn)題；防止氧擴(kuò)散、鐵電薄膜與電極應(yīng)不互相反應(yīng)等。2、逆壓電效應(yīng)在一定方向的電場(chǎng)作用下，具有壓電效應(yīng)的晶體材料會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

二、壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

晶體的壓電性是與晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性決定的，具有對(duì)稱中心的晶體不可能具有壓電性。

在32種點(diǎn)群中，只有20種點(diǎn)群的晶體可能具有壓電性。壓電陶瓷材料的典型結(jié)構(gòu):

1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電，壓電陶瓷屬于ABO3型氧八面體，其中A為一價(jià)或二價(jià)金屬離子，而B(niǎo)為四價(jià)或五價(jià)金屬。半徑較大的A正離子，半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角，體心和面心。如圖所示。這種結(jié)構(gòu)也可看成是一組BO6八面體按簡(jiǎn)立方圖樣排列而成，A正離子占據(jù)氧八面體之間的空隙，鈣鈦礦原胞是立方的，也可畸變成具有三角和四方對(duì)稱性。鈦酸鋇，鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛和KxNa1-xNbO3等鐵電壓電陶瓷具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

鈦酸鋇：由于它的機(jī)電耦合系數(shù)較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有較大的工作溫度范圍因而應(yīng)用廣泛。早在40年代末已在拾音器、換能器、濾波器等方面得到應(yīng)用。鋯酸鉛：為反鐵電體，具有雙電滯回線。居里溫度230℃，居里點(diǎn)以下為斜方晶系。PbTiO3和PbZrO3的固溶體陶瓷具有優(yōu)良的壓電性能。鈦酸鉛：結(jié)構(gòu)與鈦酸鋇相類似，其居里溫度為495℃，居里溫度下為四方晶系，其壓電性能較低。純鈦酸鉛陶瓷很難燒結(jié)，當(dāng)冷卻通過(guò)居里點(diǎn)時(shí)，就會(huì)碎裂成為粉末，因此目前測(cè)量只能用不純的樣品。少量添加物可抑制開(kāi)裂，例如含Nb+54％（原子）的材料，d33可達(dá)40×10-12C／N。鋯鈦酸鉛（PZT）：為二元系壓電陶瓷，Pb（Ti，Zr）O3壓電陶瓷在四方晶相（富鈦邊）和菱形晶相（富鋯一邊）的相界附近，其耦合系數(shù)和介電常數(shù)是最高的。這是因?yàn)樵谙嘟绺浇鼧O化時(shí)更容易重新取向。相界大約在Pb（Ti0.465，Zr0.535）O3的地方，其機(jī)電耦合系數(shù)k33可到0.6，d33可到200×10-12C／N。在PZT中添加某些元素，可達(dá)到改性的目的，比如添加物L(fēng)a，Nd，Bi，Nb等，屬“軟性”添加物，可使陶瓷彈性柔順常數(shù)增高，矯頑場(chǎng)降低入，增大；添加物Fe，Co，Mn，Ni等“硬性”添加物，可使陶瓷性能向“硬”的方面變化，即矯頑場(chǎng)增大，kp下降，同時(shí)介質(zhì)損耗降低。為了進(jìn)一步改性，在PZT陶瓷中摻入鈮鎂酸鉛制成三元系壓電陶瓷（簡(jiǎn)稱PCM），具有可以廣泛調(diào)節(jié)壓電性能的特點(diǎn)。2、鎢青銅結(jié)構(gòu)具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電，壓電陶瓷也屬于ABO3型氧八面體鐵電體，一個(gè)四方晶胞包含10個(gè)BO6八面體，它們由其頂角按一定方式聯(lián)結(jié)而成。

偏鈮酸鉛和鈮酸鍶鋇等鐵電壓電陶瓷具有鎢青銅結(jié)構(gòu)。

3、鉍層狀結(jié)構(gòu)鉍層狀結(jié)構(gòu)可以看成是由其氧八面體類鈣鈦礦層與{Bi2O12}層交替疊成的。其中類鈣鈦礦層可以是一層{如Bi2WO6},二層{如PbBi2Nb3O9}，三層{如Bi4Ti8O12}以至五層。在類鈣鈦礦層中，其正離子可被許多離子取代。

4、焦綠石結(jié)構(gòu)焦綠石結(jié)構(gòu)是由共同頂角的{NbO6或TaO6}氧八面體組成，而較大的Cd2+{或Pb2+}離子位于氧八面體之間的間隙中。這種結(jié)構(gòu)的鐵電體僅出現(xiàn)在Cd2Nb2O2,Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限幾種化合物中。壓電陶瓷的預(yù)極化:自然界中雖然具有壓電效應(yīng)的壓電晶體很多，但是成為陶瓷材料以后，往往不呈現(xiàn)出壓電性能，這是因?yàn)樘沾墒且环N多晶體，由于其中各細(xì)小晶體的紊亂取向，因而各晶粒間壓電效應(yīng)會(huì)互相抵消，宏觀不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。鐵電陶瓷中雖存在自發(fā)極化，但各晶粒間自發(fā)極化方向雜亂，因此宏觀無(wú)極性。若將鐵電陶瓷預(yù)先經(jīng)強(qiáng)直流電場(chǎng)作用，使各晶粒的自發(fā)極化方向都擇優(yōu)取向成為有規(guī)則的排列（這一過(guò)程稱為人工極化），當(dāng)直流電場(chǎng)去除后，陶瓷內(nèi)仍能保留相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄻O化強(qiáng)度，則陶瓷材料宏觀具有極性，也就具有了壓電性能。因此鐵電陶瓷經(jīng)過(guò)預(yù)先極化處理，就會(huì)具有壓電性。影響極化效果的因素：極化電場(chǎng)，極化溫度，極化時(shí)間極化電場(chǎng)是極化諸條件中的主要因素。極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。以鋯鈦酸鉛為例，在四方相區(qū)，其矯頑場(chǎng)隨鋯鈦比的減小而變大。在極化電場(chǎng)和時(shí)間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列較易，極化效果好。常用壓電陶瓷材料的極化溫度通常取320一420K。極化時(shí)間長(zhǎng)，電疇取向排列的程度高，極化效果較好。極化初期主要是180°電疇的反轉(zhuǎn)，以后的變化是90°電疇的轉(zhuǎn)向。90°電疇轉(zhuǎn)向由于內(nèi)應(yīng)力的阻礙而較難進(jìn)行，因而適當(dāng)延長(zhǎng)極化時(shí)間，可提高極化程度，一般極化時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘。用于電聲器件中的揚(yáng)聲器、送話器、拾聲器等；用于水下通訊和探測(cè)的水聲換能器和魚群探測(cè)器等；用于雷達(dá)中的陶瓷表面波器件；用于導(dǎo)航中的壓電加速度計(jì)和壓電陀螺等；用于通訊設(shè)備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；用于精密測(cè)量中的陶瓷壓力計(jì)、壓電流量計(jì)、壓電厚度計(jì)等；用于紅外技術(shù)中的陶瓷紅外熱電探測(cè)器；用于超聲探傷、超聲清洗、超聲顯像中的陶瓷超聲換能器；用于高壓電源的陶瓷變壓器。壓電材料的應(yīng)用：壓電驅(qū)動(dòng)器當(dāng)把電能輸入到壓電驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可由材料直接轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰苹蚱渌鼨C(jī)械能形式。自然，驅(qū)動(dòng)器的材料還包括磁致伸縮材料，光致伸縮材料以及形狀記憶合金等。但是由于壓電陶瓷和鐵電材料作用力大，響應(yīng)快，頻率范圍廣等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于精確定位系統(tǒng)。

利用鐵電陶瓷材料制造各種驅(qū)動(dòng)器是近10多年發(fā)展較快的領(lǐng)域。壓電/電致伸縮陶瓷已經(jīng)用在幾個(gè)新型器件上，例如，點(diǎn)—觸針式打印機(jī)，自動(dòng)聚焦相機(jī)和高分辨CCD成像傳感器等。阻尼、降噪應(yīng)用：阻尼和降噪的途徑主要有二種：一是選用粘彈性材料；另一是利用減振器。壓電陶瓷在縱向和剪切載荷時(shí)損耗因子可高達(dá)42.5%，橫向時(shí)可達(dá)8%，這種高損耗因子和高剛度（E=63Gpa）以及溫度穩(wěn)定性的結(jié)合，可以將壓電陶瓷視為一種粘彈性材料。把它貼在結(jié)構(gòu)上且并聯(lián)一無(wú)源電路可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振。這是一種被動(dòng)式阻尼減振。目前，更多的研究集中在主動(dòng)控制，即利用壓電陶瓷傳感器和驅(qū)動(dòng)作用的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)柔度系數(shù)g33可調(diào)。利用這種剛度的自適應(yīng)，便可控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。壓電陶瓷微位移器：

壓電陶瓷微位移器是由多層壓電陶瓷薄片，經(jīng)過(guò)多層疊層技術(shù)制成的固態(tài)移動(dòng)器，它能直接將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能（機(jī)械位移）。

壓電陶瓷微位移器應(yīng)用范圍很廣，大多數(shù)應(yīng)用在高技術(shù)領(lǐng)域，如激光腔調(diào)諧，光纖光學(xué)定位，自適應(yīng)光學(xué)，生物工程細(xì)胞穿制，精密微定位，攝影，攝像器材快門控制，光纖熔接機(jī)等。

微位移器使用過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)為：1、位移控制精度高，電源精度1%時(shí)，分辨率可達(dá)納米級(jí)。

比如10×5×30mm的微位移器工作電壓在0—200VDC范圍內(nèi)，最大位移量為20um，推力≥100N，拉力≤10N,工作溫度，-20---85℃。壓電點(diǎn)火材料在打火機(jī)、點(diǎn)火器、自動(dòng)煤氣灶等民用消費(fèi)類產(chǎn)品上的應(yīng)用極為普遍。點(diǎn)火元件要求在承受一定的壓力下能放出較長(zhǎng)的火花，并在至少一萬(wàn)次力的作用下不降低其發(fā)火能力，這就意味著在產(chǎn)品設(shè)計(jì)一定的情況下，壓電材料的綜合參數(shù)就對(duì)點(diǎn)火元件的著火力起一定的作用，壓電點(diǎn)火材料受力后產(chǎn)生的電壓與其壓電系數(shù)和介電系數(shù)有關(guān)。壓電電荷系數(shù)d33愈大，受力后產(chǎn)生的電壓愈大、電火花也會(huì)愈長(zhǎng)。但一般壓電材料在提高其d33的同時(shí)，常常會(huì)帶來(lái)∈33的增大、Qm降低，壓電元件就不能在承受多次力的作用后保持其發(fā)火力?！?3太高，就要降低壓電電壓。因而，如何使制備出的壓電點(diǎn)火材料能具有適中的d33、∈33和Qm是關(guān)鍵。在飛行器中的應(yīng)用

飛行器在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞裂紋往往造成災(zāi)難性結(jié)果。VirginiaTech的研究者把壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放在已知應(yīng)變集中的位置上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器可以抵抗來(lái)自附近的應(yīng)變，從而把疲勞壽命延長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)踐證明，壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器能夠主動(dòng)減少來(lái)自橫向裂紋，鄰近的孔和缺口等機(jī)械損傷或工程造成的應(yīng)變集中，延長(zhǎng)疲勞壽命。在氣動(dòng)彈性力學(xué)中的應(yīng)用

顫振是困擾空氣力學(xué)專家的難題。顫振使飛行器的性能受到影響，特別是對(duì)于具有雙垂尾的飛行器，顫振還可引起疲勞損坯，為此要經(jīng)常進(jìn)行裂紋檢驗(yàn)，因而極大提高飛行成本。為解決顫振問(wèn)題，美國(guó)NASALangley研究中心采用主動(dòng)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，以F-18飛機(jī)1/6尺寸的模型在跨音風(fēng)洞中進(jìn)行了吹風(fēng)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高達(dá)37℃攻角條件下，垂尾的第一彎曲模頻率的根部應(yīng)變功率譜密度減少60%;根部應(yīng)變的均方根減少19%，而且驅(qū)動(dòng)器使用的電壓只有2.4V（最高為10V）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)這條途徑的可行性，為此美國(guó)已決定進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。

除了顫振以外，壓電陶瓷主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)在控制坦克炮塔振動(dòng)方面也有報(bào)道，具體應(yīng)用示意見(jiàn)如圖我學(xué)者發(fā)現(xiàn)40倍于普通壓電效應(yīng)的鐵電材料

西安交通大學(xué)多學(xué)科材料研究中心主任、金屬材料強(qiáng)度