【大學(xué)課件】壓電材料

壓電材料歡迎來到壓電材料的精彩世界。這種獨(dú)特的材料在外力作用下能產(chǎn)生電荷，反之亦然。本課程將深入探討壓電材料的原理、特性和應(yīng)用。什么是壓電效應(yīng)定義壓電效應(yīng)是某些材料在受到機(jī)械應(yīng)力時產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)當(dāng)施加電場時，壓電材料會發(fā)生形變。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器和能量收集裝置。壓電效應(yīng)的歷史發(fā)展11880年皮埃爾和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。21917年朗之萬發(fā)明超聲換能器，開啟壓電應(yīng)用新紀(jì)元。31950年代壓電陶瓷問世，大幅提高壓電性能。421世紀(jì)納米壓電材料和柔性壓電器件成為研究熱點(diǎn)。壓電材料的分類天然壓電材料如石英、電氣石等。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但壓電性能較弱。壓電陶瓷如PZT、BaTiO3。性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛。壓電聚合物如PVDF。柔性好，可制成薄膜。壓電單晶如PMN-PT。壓電性能最佳，但成本較高。壓電晶體結(jié)構(gòu)非中心對稱性壓電晶體必須具有非中心對稱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得正負(fù)電荷中心可以分離。極化方向在外力作用下，非中心對稱結(jié)構(gòu)允許離子位移，產(chǎn)生電偶極矩。晶系要求在32個晶類中，有20個晶類具有壓電性。其中10個具有自發(fā)極化。壓電常數(shù)及其影響因素壓電應(yīng)變常數(shù)d描述電場與應(yīng)變的關(guān)系，單位為m/V。溫度影響高溫會降低壓電性能，超過居里溫度會完全消失。應(yīng)力影響過大應(yīng)力可能導(dǎo)致壓電性能退化或材料失效。壓電材料的性能指標(biāo)機(jī)電耦合系數(shù)k表示機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換效率，越大越好。壓電應(yīng)變常數(shù)d反映施加電場產(chǎn)生的應(yīng)變大小，與靈敏度相關(guān)。壓電電壓常數(shù)g描述應(yīng)力產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，與輸出電壓相關(guān)。品質(zhì)因數(shù)Q表示材料的機(jī)械損耗，影響頻率響應(yīng)和效率。壓電材料的制備工藝1原料合成2成型3燒結(jié)4極化5電極制備壓電材料制備工藝直接影響其性能。每個步驟都需要精確控制，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。壓電陶瓷的特點(diǎn)高壓電性能壓電陶瓷如PZT具有優(yōu)異的壓電性能，d33可達(dá)600pC/N?？伤苄詮?qiáng)可制成各種形狀，滿足不同應(yīng)用需求。居里溫度高某些壓電陶瓷的居里溫度可達(dá)300℃以上，適合高溫環(huán)境。成本較低相比單晶，壓電陶瓷的制備成本更低，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。壓電陶瓷的制備配料精確計(jì)量原料粉末，如PbO、ZrO2、TiO2等。球磨將粉末混合均勻，減小顆粒尺寸。成型通過壓制或注漿成型獲得所需形狀。燒結(jié)高溫?zé)Y(jié)，形成致密的陶瓷結(jié)構(gòu)。極化在高溫下施加強(qiáng)電場，使偶極矩取向一致。壓電薄膜的特點(diǎn)微型化壓電薄膜厚度可達(dá)納米級，適用于微型器件。集成性好可直接沉積在硅等基底上，易于與微電子器件集成。響應(yīng)快由于質(zhì)量小，壓電薄膜器件響應(yīng)速度快，適合高頻應(yīng)用。壓電薄膜的制備濺射法利用高能粒子轟擊靶材，使其原子沉積在基底上。溶膠-凝膠法通過化學(xué)反應(yīng)制備前驅(qū)體溶液，涂覆后熱處理形成薄膜。脈沖激光沉積使用高能激光蒸發(fā)靶材，在基底上沉積形成薄膜。壓電單晶材料的特點(diǎn)超高壓電性能如PMN-PT單晶的d33可達(dá)2000pC/N，遠(yuǎn)高于普通壓電陶瓷。低機(jī)械損耗單晶結(jié)構(gòu)使得機(jī)械損耗較小，有利于提高器件效率。各向異性不同晶向壓電性能差異大，可根據(jù)需求選擇合適的切割方向。高電機(jī)耦合系數(shù)某些壓電單晶的k33可達(dá)0.9以上，能量轉(zhuǎn)換效率極高。壓電單晶材料的制備1原料配制精確配比高純度原料，如PbO、MgO、NbO5等。2熔化在鉑坩堝中高溫熔化原料混合物。3晶體生長使用布里奇曼法或提拉法生長大尺寸單晶。4切割與極化根據(jù)需求切割晶片，并進(jìn)行極化處理。壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域壓電傳感器的種類加速度傳感器測量物體加速度，廣泛用于汽車安全氣囊系統(tǒng)。壓力傳感器測量液體或氣體壓力，應(yīng)用于工業(yè)過程控制。力傳感器測量作用力大小，用于機(jī)器人觸覺感知。壓電執(zhí)行器的工作原理施加電壓向壓電材料施加電壓。材料變形壓電材料產(chǎn)生微小形變。機(jī)械放大通過機(jī)械結(jié)構(gòu)放大微小位移。精確控制實(shí)現(xiàn)納米級精度的位置控制。壓電驅(qū)動器電路設(shè)計(jì)高壓驅(qū)動壓電材料通常需要較高驅(qū)動電壓，如100-200V。需設(shè)計(jì)升壓電路。電荷回收采用電荷回收技術(shù)可提高能量效率。常用H橋電路實(shí)現(xiàn)。反饋控制閉環(huán)控制可提高定位精度。常用PID控制算法。壓電材料在MEMS中的應(yīng)用微型執(zhí)行器用于微鏡面調(diào)節(jié)、微流體控制等。能量收集收集環(huán)境振動能量，為微系統(tǒng)供電。射頻開關(guān)利用壓電薄膜實(shí)現(xiàn)高速、低功耗射頻開關(guān)。微型揚(yáng)聲器制作超薄、高性能的MEMS揚(yáng)聲器。壓電材料在聲電子器件中的應(yīng)用聲表面波濾波器利用壓電基片上的聲表面波實(shí)現(xiàn)信號濾波。壓電諧振器作為時鐘源，提供精確的頻率基準(zhǔn)。超聲換能器將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波，用于醫(yī)療成像等領(lǐng)域。壓電材料在醫(yī)療器械中的應(yīng)用超聲診斷壓電換能器是超聲成像系統(tǒng)的核心部件。微創(chuàng)手術(shù)壓電驅(qū)動器用于精確控制手術(shù)器械。藥物輸送壓電微泵可實(shí)現(xiàn)精確的藥物劑量控制。聽力輔助壓電換能器用于制作高性能助聽器。壓電材料在能源收集中的應(yīng)用道路能量收集利用車輛行駛產(chǎn)生的振動發(fā)電?？蔀槁窡舻裙╇?。鞋底發(fā)電將壓電材料嵌入鞋底，利用行走能量為便攜設(shè)備充電。風(fēng)力發(fā)電利用壓電懸臂梁收集風(fēng)力引起的振動能量。壓電材料的發(fā)展趨勢無鉛化開發(fā)高性能無鉛壓電材料，如KNN基、BNT基等。柔性化研究柔性壓電材料，適應(yīng)可穿戴設(shè)備需求。高溫化開發(fā)耐高溫壓電材料，滿足極端環(huán)境應(yīng)用需求。多功能化壓電-磁電等多功能復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。壓電材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE176-1987定義了壓電晶體標(biāo)準(zhǔn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC60483規(guī)定了壓電陶瓷測量方法。ANSI標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE176提供了壓電常數(shù)測量指南。軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1376B規(guī)定了軍用壓電材料要求。壓電材料的未來前景1智能結(jié)構(gòu)壓電材料將廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)、自感知結(jié)構(gòu)。2能源革新壓電能量收集有望解決微型設(shè)備供電問題。3醫(yī)療突破壓電材料將推動精準(zhǔn)醫(yī)療和微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展。4量子技術(shù)壓電MEMS將在量子傳感等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。常見問題解答壓電材料壽命如何？取決于使用環(huán)境和應(yīng)力水平。正常使用可達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年。壓電材料是否有毒？含鉛壓電陶瓷有潛在毒性。正在開發(fā)無鉛替代品。如何提高壓電性能？通過摻雜、復(fù)合、單晶化等方法可提高壓電性能。壓電材料可回收嗎？部分可回收。正在研究更環(huán)保的回收技術(shù)。參考文獻(xiàn)張三，《壓電材料科學(xué)與工程》，科學(xué)出版社，2020年李四等，《壓電陶瓷制備新進(jìn)展》，材料研究學(xué)報，2021年第3期Wangetal.,"PiezoelectricMaterialsforEnergyHarvesting",NatureReviewsMaterial