壓電材料力學性能

材料力學性能演講主題：壓電材料的應用學院：動力與機械學院班級：08級材料一班小組成員：石振斌田飛周繼恒1880年居里兄弟首先在石英晶體上發(fā)現(xiàn)了壓電效應，壓電材料由此被人所關(guān)注。當你在點燃煤氣灶或熱水器時,就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓,進而將電能引向燃氣的出口放電。于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。再比如我們經(jīng)?？吹降拇蚧饳C也是由一塊壓電材料來引燃的。那么，什么是壓電效應呢？壓電效應反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合，其分為正壓電效應和逆壓電效應兩種。晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷。當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)。當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變。這種沒有電場作用，只是由于應變或應力，在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應。當在壓電晶體上加一電場時，晶體不僅要產(chǎn)生極化，還要產(chǎn)生應變和應力。這種由電場產(chǎn)生應變或應力的現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱電致伸縮效應。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現(xiàn)異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動（聲波）和交流電的互相轉(zhuǎn)換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。壓電材料的發(fā)展

第一階段：從發(fā)現(xiàn)壓電效應之年（188O年）起至第一次世界大戰(zhàn)間，壓電效應并未引起人們足夠重視，故壓電材料實際上尚未進入實用階段。第二階段：第一次世界大戰(zhàn)（1914—l915）到第二次世界大戰(zhàn)（1940－1945）期間，受到戰(zhàn)爭的刺激，人們才真正重視起壓電材料的研究。1916年郎之萬（Langevin）用壓電石英晶體作成水下發(fā)射和接收的換能器，并用回波法探測沉船和海底。1921年相繼研制成功石英譜振器和濾波器，開創(chuàng)了壓電晶體在頻率控制和通訊方面的應用。在1942－1943年期間，蘇聯(lián)、美國和日本幾乎同時發(fā)現(xiàn)了BaTiO3，這是在此期間的一個重要發(fā)現(xiàn)。第三階段：從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后到六十年代，是壓電材料及壓電理論發(fā)展的最有成效的時期，其中，1947年首次發(fā)表的關(guān)于經(jīng)極化的BaTiO3陶瓷壓電性及其應用，具有劃時代的意義。目前，生物壓電學已經(jīng)興起且已經(jīng)取得了不少進展，對生物（包括人體組織）壓電性的研究，甚至對控制生物生長、揭示生理功能秘密都具有重大科學意義。壓電材料的種類自40年代中期出現(xiàn)了BaTiO3陶瓷以后，壓電陶瓷的發(fā)展較快。兩個分支：一是晶體和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子聚合物）。⑴鈦酸鋇：機電耦合系數(shù)較高，化學性質(zhì)穩(wěn)定，有較大的工作溫度范圍因而應用廣泛。早在40年代末已在拾音器、換能器、濾波器等方面得到應用。⑵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。⑶鋯酸鉛：為反鐵電體，具有雙電滯回線。⑷鋯鈦酸鉛（PZT）：為二元系壓電陶瓷，該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。⑸其它壓電陶瓷材料：鎢青銅型、含鉍層狀化合物、焦綠石型和鈦鐵礦型等非鈣鈦礦壓電材料。它們具有很大的潛力。此外硫化隔、氧化鋅、氮化鋁等壓電半導體薄膜也得到了研究與發(fā)展，70年代以來，為了滿足光電子學發(fā)展需要又研制出摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT）透明鐵電陶瓷，用它制成各種光電器件。由于壓電材料所獨有的正壓電效應和逆壓電效應，可以很好的實現(xiàn)機械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，是一種非常有價值的新型材料，可以說自從該材料被發(fā)現(xiàn)開始就被眾人所關(guān)注，壓電材料在生活生產(chǎn)中起到了巨大的作用。目前研究的最多、最具應用前景的小型發(fā)電裝置是利用電磁和壓電原理制作的。壓電材料的應用壓電材料的妙用壓電發(fā)電鞋壓電發(fā)電鞋的原理就是把發(fā)電裝置植入鞋底。通過走路時腳對鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產(chǎn)生電荷，從而驅(qū)動發(fā)光二極管而發(fā)光。壓電式袖珍風車美國德克薩斯州大學的電子工程師沙善克普罩亞發(fā)明了一種可以為無線嘲絡(luò)供電的袖珍風車，這種風車周長大約10cm，它附在一個旋轉(zhuǎn)凸輪上，當凸輪旋轉(zhuǎn)時可使一系列壓電晶體不斷伸縮。當壓電材料被擠壓或伸展時便會產(chǎn)生電能。時速為16Km的微風便可以產(chǎn)生7．5mW的持續(xù)電能，這足以保證一個電子傳感器的運轉(zhuǎn)，可以為完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。與利用風力渦輪機為電網(wǎng)供電的常規(guī)發(fā)電機相比。一個壓電發(fā)電機的轉(zhuǎn)化效率能達到18%。肌肉壓電發(fā)電系統(tǒng)美國凱斯西儲大學生物醫(yī)學工程學院路瓦德斯基等人提出依靠肌肉的運動來提供動力的壓電發(fā)電系統(tǒng)。。經(jīng)模擬，該發(fā)電機可以提供690uW的電能。該機構(gòu)可用于驅(qū)動內(nèi)置于人體中的醫(yī)療機械，市場前景廣闊。人工耳蝸感音神經(jīng)性耳聾絕大部分源于內(nèi)耳毛細胞的損傷，導致不能將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號．然而聲音傳入通道保持暢通，而且聽神經(jīng)的神經(jīng)纖維仍有相當數(shù)量存活，僅僅是不能進行聲電轉(zhuǎn)換從而導致了病人不能獲得正常聽力。為了提高聾耳的聽力，將壓電材料植入到耳蝸內(nèi)，利用壓電效應直接將聲波轉(zhuǎn)化為電信號刺激聽神經(jīng)，以提高聽力。近些年來，隨著社會的發(fā)展、科技的進步、生活水平的不斷提高，人們的健康觀念及保護健康的方式和途徑都發(fā)生了深刻的變化，家庭醫(yī)療就是適應當前社會發(fā)展需要，將當代高新技術(shù)與臨床醫(yī)療相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為當今世界醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點。家庭醫(yī)療實現(xiàn)醫(yī)療進入家庭，可以在家中對病人實施診斷、治療、康復和保健。家庭醫(yī)療符合現(xiàn)代社會日益老齡化、醫(yī)療費用日益高漲以及人們對身體健康標準不斷提高的趨勢，同時家庭醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)化可以提高邊遠地區(qū)的醫(yī)療水平。因此，家庭醫(yī)療的發(fā)展具有強大的生命力。同時，隨著我國人口老齡化的加劇，心臟疾病的患病率也越來越高。據(jù)統(tǒng)計，目前有1億以上的人患有高血壓，每年大約有75萬人死于心臟疾病，心血管疾病的患病率仍在逐年上升，而且呈低齡化趨勢。臨床醫(yī)學實踐表明，對于心臟疾病的防治，最有效的手段就是預防和保健，在對心臟病患者進行經(jīng)常性監(jiān)測的基礎(chǔ)上，盡早發(fā)現(xiàn)異常病變情況，及時進行治療，以控制病情的進一步發(fā)展。心電圖作為一種無創(chuàng)傷檢查手段，經(jīng)過大量的臨床研究，證明對心臟肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有決定性的診斷價值，對某些心臟疾病，如心肌炎、心包炎、藥物中毒等引起的心臟病變具有輔助診斷意義。心電圖（心電圖（ECG）是利用心電圖機記錄的心臟每一心動周期電活動變化的曲線圖形）是心臟病診斷的重要依據(jù)。圖2.1正