第3章 智能非金属材料2
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（4）压电复合材料
压电陶瓷： 高介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数； 制备温度较高、制备工艺较复杂; 不易制得薄膜材料、质脆，应用受限； 压电聚合物： 高的介电性、较强的压电性; 高的机械强度、柔韧性; 使用温度较低，应用同样受限。
压电复合材料:克服了压电陶瓷材料的脆性和压电聚 合物材料的温度限制 ——智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。
根据制备方法不同可分为： *胶粘接式 *多层共烧式
28
双压电晶片式弯曲型驱动器
设计思路 二个压电陶瓷片粘在一起，其极化电压 极性相反；加上电压使其中一片伸长，另一 片收缩，形成弯曲位移。
29
应 用
(1)抑制振动和噪声 压电智能材料应用研究主要集中在: 结构的声和振动主动控制； 结构形状的自适应控制。 ★ 1991年 弗吉尼亚工学院 压电陶瓷结构声主动 控制系统ASAC 可将110dB声源的声强降低29dB。
（5）日常生活 压电点火器；电子打火机、煤气灶、热水器 压电谐振器和蜂鸣器：电子钟表、声控门、报警器、 儿童玩具、电话； 验证笔迹和声音特征的压电传感器：银行、商店、 超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案； 压电引信：精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器。
39
煤气灶电子点火器 利用压电传感器工作原理进行点火。 结构：一般由两个压电陶瓷元件并联组成。
13
b.二元系压电陶瓷 BaTiO3－CaTiO3系 大大降低第二相变温度，但不能提高居里点
BaTiO3－PbTiO3系 能提高居里点，同时降低第二相变点
14
★锆钛酸铅 PbZrO3 和PbTiO3以任何比例形成的连续固溶体， 化学式为Pb(ZrxTi1-xO)3，简称PZT。 高压电活性和高介电常数(压电常数是BaTiO3的两 倍)，其它性能比BaTiO3好得多。 开辟了压电陶瓷应用(变压器、滤波器、换能器、 通讯、计测、引燃引爆装置、超声延迟线等)的新 局面，具有划时代意义。 改性方法： 改变Zr/Ti比； 等价离子及不等价离子置换或掺加杂质、氧化物， 如Ba2+、Sr2+、Sn4+、La3+、Bi3+、Sn5+等。
=
输入的总机械能 由电能转换的机械能 输入的总电能
=
*k和k2总小于1； * 不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不 相同。
8
3.5.2 压电、铁电材料
9
（1）压电单晶 石英(天然、人工)晶体——俗称水晶 。 俗称 居里点为573℃的六角晶系α-石英。 性能特点： ●压电常数小，压电系数和介电系数的温度稳定性 压电常数小，压电系数和介电系数的 好，在20-200℃压电系数变化率仅为-0.016%； ●机械强度和品质因素高，允许应力高达 6.8×107Pa~9.8×107Pa，且刚度大，固有频率 高，动态特性好； ●无热释电性，且绝缘性、重复性均好。
37
（4）生物医学测量 聚偏二氟乙烯PVDF 优点：低的声阻抗和介电常数，柔软，灵敏度高、 耐击穿、声阻抗与人体组织的声阻抗接近。 应用：脉搏计、血压计、超声仪和胎心探测器等； 大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等， 对环境温度和压力敏感。 其它： 勘探和目标识别：识别盲文书信和不同级别的砂 纸，准确性近100%； 探测水下物体的传感器； 扬声器、耳机、微音器 38
5
压电效应的表征
(1)压电应变常数d： ——介质电位移D（单位面积电荷）和应力T以及 应变S和电场强度E之间的关系。 对于正压电效应： D=dT 对于逆压电效应： S=dE 两式中的d在数值上相等
它描述作为驱动材料 运动或振动的能力。 它描述作为 高功率声纳希望材料的d值要高。
6
压电效应的表征
23
3.5.3 压电驱动器
工作原理——逆压电效应 施加电压 与其极化电压极性相反 :压电陶瓷缩短 ； 施加 与其极化电压极性 压电陶瓷 施加电压 与其极化电压极性相同 :压电陶瓷伸长 ； 施加 与其极化电压极性 压电陶瓷 施加交流电压 :交替地伸长和缩短; 施加 控制施加电压的大小 ：控制位移输出大小 控制施加 ：控制
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工作过程
压电薄膜传感器
压电陶瓷超声传感器
41
32
数码聚焦驱动器
超声清洗换能器
燃油喷射器用压电驱动器
33
多层压电扬声器
34
3.5.4 压电传感器
原理——正压电效应
压电感知元件仅对应力的变化作出反应。压电 传感器是交流器件，而不是直流器件，只能够测量 动态的应力，不能用于静态测量。
结构
压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起， 一般常用并联接法。其总面积是单片的两倍，极板 上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。加上电极即构 成最简单的压电传感器。
30
压电材料与其它材料复合制成自适应ຫໍສະໝຸດ 构：传感器和驱动器自成孤立系统
传感器直接装在驱动器顶部的 机械耦合系统
★降低圆柱型卫星天线桅杆的振动； ★具有自行调整外形功能的直升机推进叶片； ★ 智能蒙皮 —— 相当于柔顺材料，对于压力的波 动，可获得高于橡胶6倍的柔顺性。
31
（2）减少应力集中，延长疲劳寿命 压电陶瓷诱发应变驱动器能够主动减少应变 集中，延长疲劳寿命。 其它 军事上：压电陶瓷水声换能器 ——核潜艇的“眼睛”
35
应用
(1)加速度和力的测量 ——制成力传感器、加速度传感器、压力传感器 常用的压电材料：石英晶体 和压电陶瓷。 常用的压电材料： 压电加速度传感器：常用的加速度计。 特点：结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长。 应用：飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和 应用：飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的 冲击测量，在航空和宇航领域中具有特殊 地位。
11
(2)压电陶瓷 特点 ●压电常数大，灵敏度高； ●制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性能； ●成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用。 ●具有热释电性，会给压电传感器造成热干扰， 降低稳定性，对高稳定性的传感器应用有限。
12
a.一元系压电陶瓷 BaTiO3： 机电耦合系数大，最早的有实用价值的压电陶瓷; 制备容易，且可制成任意形状和极化方向的产品。 PbTiO3： 居里温度高(Tc=490 ℃)，能在高温下使用； 自发极化强度在钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高; 镧系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的掺入对 其晶格参数及介电、压电性能的影响较大。
36
（2）压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、 周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层 ——分布式地下麦克风或听音器 在几十米范围内探测人的步行，分辨车辆类型 （3）交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上 用于：获取车型分类信息(包括轴数、轴距、轮距、 单双轮胎、汽车类型)、车速监测、收费站 地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通 数据信息采集(道路监控)及机场滑行道等。
25
压电陶瓷驱动器的结构类型
应用最多： 线性多层式驱动器 双片式弯曲型驱动元件
26
线性多层式驱动器
设计思路 压电陶瓷的变形量与厚度无关 多层压电陶瓷薄片在电学上并 联、在位移和驱动力方面串联 叠加，层叠烧结在一起制成多 层结构。
27
线性多层式驱动器
性能特点 位移随层数增加而增加； 工作电压大幅度降低。
10
锂盐类压电和铁电单晶 铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂(LiGeO3)、 镓酸锂(LiGaO3)、锗酸铋(Bi2GeO20)等。 铌酸锂：一种多畴单晶 ，须通过极化处理后才能成 铌酸锂：一种 为单畴单晶，呈现类似单晶体的特点，即 机械性能各向异性。 性能特点： 时间稳定性好，居里点高 达1200℃，在高温、强辐射 时间稳定性好， 条件下仍具有良好的压电性，机电耦合系数高。 不足：质地脆、抗机械和热冲击性差。
15
C.三元系及多元系压电陶瓷 PZT-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PZT-各种驰豫铁电体固溶物
16
无铅压电陶瓷 BaTiO3 钛酸铋钠(Na1/2,Bi1/2) TiO3 (BNT) 系统 含铋层状结构 铌酸盐 中国科学院上海硅酸盐研究所 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷系列 (1-x)Nal/2Bi1/2TiO3—xBaTiO3 (x=0.06时压电性能最好)
21
压电陶瓷/聚合物复合材料 将压电陶瓷和压电聚合物按一定的连通方式、 一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复 合而成。 性能影响因素： 组成成分—各组份的比例 两相材料的连通方式
22
压电陶瓷/聚合物复合材料的十种基本类型
第一个数字代表陶瓷相的连通维数； 第二个数字代表聚合物相的连通维数 空白区：压电陶瓷；阴影区：聚合物
(2)压电电压常数g： 应力与所产生的电场强度，或应变与所引起的电 位移的关系。
g=d/E
由机械应力而产生电压 的材料如留声机、扩音器 由机械 希望有高的 g值。 希望有
7
(3)机电耦合系数k： 综合反映压电材料性能的参数，表示电能转变为 机械能或者机械能转变为电能的分数。 K2 K2 由机械能转换的电能
18
压电聚合物种类 通常为非导电性高分子材料。 晶态聚合物： 目前唯一能够商业化生产的压电聚合物材料。 种类：滚延聚偏氟乙烯(PVDF) 和三氟乙烯(TrFE)的共聚物P(VDF-TrFE) 和四氟乙烯(TFE)的共聚物P(VDF-TFE) 奇数的尼龙等。
19
非晶态聚合物: 尚无足够高的具有商业应用价值的压电性能。 腈基取代高聚物：聚丙烯腈(PAN) 聚(亚乙烯基氰/醋酸乙烯)(PVDCN/VAc) 聚苯基氰基醚(PPEN) 聚(1-环二丁腈) 最具前途：亚乙烯基氰共聚物（强的介电弛豫强度和 大的压电效应）。
24
压电驱动器性能和特点
压电驱动器特点 (1)不需传动机构，位移控制精度高，可达0.01μm； (2)响应速度快，约为10μs，无机械吻合间隙，可实 现电压随动式位移控制。 (3)较大的力输出，约为 3.9kN/cm2。 (4)功耗低，比电磁马达式微位移器低1个数量级，且 当物体保持一定位置(高度)时，器件几乎无功耗。 (5)易与电源、测位传感器、微机等实现闭环控制 。 与电源、测位传感器、微机等 相对其它微位移器件体积小 得多。 相对其它微位移器件
（4）压电复合材料
压电陶瓷： 高介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数； 制备温度较高、制备工艺较复杂; 不易制得薄膜材料、质脆，应用受限； 压电聚合物： 高的介电性、较强的压电性; 高的机械强度、柔韧性; 使用温度较低，应用同样受限。
压电复合材料:克服了压电陶瓷材料的脆性和压电聚 合物材料的温度限制 ——智能材料系统与结构中最有前途的压电材料。
根据制备方法不同可分为： *胶粘接式 *多层共烧式
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双压电晶片式弯曲型驱动器
设计思路 二个压电陶瓷片粘在一起，其极化电压 极性相反；加上电压使其中一片伸长，另一 片收缩，形成弯曲位移。
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应 用
(1)抑制振动和噪声 压电智能材料应用研究主要集中在: 结构的声和振动主动控制； 结构形状的自适应控制。 ★ 1991年 弗吉尼亚工学院 压电陶瓷结构声主动 控制系统ASAC 可将110dB声源的声强降低29dB。
（5）日常生活 压电点火器；电子打火机、煤气灶、热水器 压电谐振器和蜂鸣器：电子钟表、声控门、报警器、 儿童玩具、电话； 验证笔迹和声音特征的压电传感器：银行、商店、 超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案； 压电引信：精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器。
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煤气灶电子点火器 利用压电传感器工作原理进行点火。 结构：一般由两个压电陶瓷元件并联组成。
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b.二元系压电陶瓷 BaTiO3－CaTiO3系 大大降低第二相变温度，但不能提高居里点
BaTiO3－PbTiO3系 能提高居里点，同时降低第二相变点
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★锆钛酸铅 PbZrO3 和PbTiO3以任何比例形成的连续固溶体， 化学式为Pb(ZrxTi1-xO)3，简称PZT。 高压电活性和高介电常数(压电常数是BaTiO3的两 倍)，其它性能比BaTiO3好得多。 开辟了压电陶瓷应用(变压器、滤波器、换能器、 通讯、计测、引燃引爆装置、超声延迟线等)的新 局面，具有划时代意义。 改性方法： 改变Zr/Ti比； 等价离子及不等价离子置换或掺加杂质、氧化物， 如Ba2+、Sr2+、Sn4+、La3+、Bi3+、Sn5+等。
=
输入的总机械能 由电能转换的机械能 输入的总电能
=
*k和k2总小于1； * 不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不 相同。
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3.5.2 压电、铁电材料
9
（1）压电单晶 石英(天然、人工)晶体——俗称水晶 。 俗称 居里点为573℃的六角晶系α-石英。 性能特点： ●压电常数小，压电系数和介电系数的温度稳定性 压电常数小，压电系数和介电系数的 好，在20-200℃压电系数变化率仅为-0.016%； ●机械强度和品质因素高，允许应力高达 6.8×107Pa~9.8×107Pa，且刚度大，固有频率 高，动态特性好； ●无热释电性，且绝缘性、重复性均好。
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（4）生物医学测量 聚偏二氟乙烯PVDF 优点：低的声阻抗和介电常数，柔软，灵敏度高、 耐击穿、声阻抗与人体组织的声阻抗接近。 应用：脉搏计、血压计、超声仪和胎心探测器等； 大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等， 对环境温度和压力敏感。 其它： 勘探和目标识别：识别盲文书信和不同级别的砂 纸，准确性近100%； 探测水下物体的传感器； 扬声器、耳机、微音器 38
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压电效应的表征
(1)压电应变常数d： ——介质电位移D（单位面积电荷）和应力T以及 应变S和电场强度E之间的关系。 对于正压电效应： D=dT 对于逆压电效应： S=dE 两式中的d在数值上相等
它描述作为驱动材料 运动或振动的能力。 它描述作为 高功率声纳希望材料的d值要高。
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压电效应的表征
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3.5.3 压电驱动器
工作原理——逆压电效应 施加电压 与其极化电压极性相反 :压电陶瓷缩短 ； 施加 与其极化电压极性 压电陶瓷 施加电压 与其极化电压极性相同 :压电陶瓷伸长 ； 施加 与其极化电压极性 压电陶瓷 施加交流电压 :交替地伸长和缩短; 施加 控制施加电压的大小 ：控制位移输出大小 控制施加 ：控制
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工作过程
压电薄膜传感器
压电陶瓷超声传感器
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数码聚焦驱动器
超声清洗换能器
燃油喷射器用压电驱动器
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多层压电扬声器
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3.5.4 压电传感器
原理——正压电效应
压电感知元件仅对应力的变化作出反应。压电 传感器是交流器件，而不是直流器件，只能够测量 动态的应力，不能用于静态测量。
结构
压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起， 一般常用并联接法。其总面积是单片的两倍，极板 上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。加上电极即构 成最简单的压电传感器。
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压电材料与其它材料复合制成自适应ຫໍສະໝຸດ 构：传感器和驱动器自成孤立系统
传感器直接装在驱动器顶部的 机械耦合系统
★降低圆柱型卫星天线桅杆的振动； ★具有自行调整外形功能的直升机推进叶片； ★ 智能蒙皮 —— 相当于柔顺材料，对于压力的波 动，可获得高于橡胶6倍的柔顺性。
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（2）减少应力集中，延长疲劳寿命 压电陶瓷诱发应变驱动器能够主动减少应变 集中，延长疲劳寿命。 其它 军事上：压电陶瓷水声换能器 ——核潜艇的“眼睛”
35
应用
(1)加速度和力的测量 ——制成力传感器、加速度传感器、压力传感器 常用的压电材料：石英晶体 和压电陶瓷。 常用的压电材料： 压电加速度传感器：常用的加速度计。 特点：结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长。 应用：飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和 应用：飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的 冲击测量，在航空和宇航领域中具有特殊 地位。
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(2)压电陶瓷 特点 ●压电常数大，灵敏度高； ●制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性能； ●成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用。 ●具有热释电性，会给压电传感器造成热干扰， 降低稳定性，对高稳定性的传感器应用有限。
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a.一元系压电陶瓷 BaTiO3： 机电耦合系数大，最早的有实用价值的压电陶瓷; 制备容易，且可制成任意形状和极化方向的产品。 PbTiO3： 居里温度高(Tc=490 ℃)，能在高温下使用； 自发极化强度在钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高; 镧系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的掺入对 其晶格参数及介电、压电性能的影响较大。
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（2）压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、 周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层 ——分布式地下麦克风或听音器 在几十米范围内探测人的步行，分辨车辆类型 （3）交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上 用于：获取车型分类信息(包括轴数、轴距、轮距、 单双轮胎、汽车类型)、车速监测、收费站 地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通 数据信息采集(道路监控)及机场滑行道等。
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压电陶瓷驱动器的结构类型
应用最多： 线性多层式驱动器 双片式弯曲型驱动元件
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线性多层式驱动器
设计思路 压电陶瓷的变形量与厚度无关 多层压电陶瓷薄片在电学上并 联、在位移和驱动力方面串联 叠加，层叠烧结在一起制成多 层结构。
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线性多层式驱动器
性能特点 位移随层数增加而增加； 工作电压大幅度降低。
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锂盐类压电和铁电单晶 铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂(LiGeO3)、 镓酸锂(LiGaO3)、锗酸铋(Bi2GeO20)等。 铌酸锂：一种多畴单晶 ，须通过极化处理后才能成 铌酸锂：一种 为单畴单晶，呈现类似单晶体的特点，即 机械性能各向异性。 性能特点： 时间稳定性好，居里点高 达1200℃，在高温、强辐射 时间稳定性好， 条件下仍具有良好的压电性，机电耦合系数高。 不足：质地脆、抗机械和热冲击性差。
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C.三元系及多元系压电陶瓷 PZT-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PZT-各种驰豫铁电体固溶物
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无铅压电陶瓷 BaTiO3 钛酸铋钠(Na1/2,Bi1/2) TiO3 (BNT) 系统 含铋层状结构 铌酸盐 中国科学院上海硅酸盐研究所 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷系列 (1-x)Nal/2Bi1/2TiO3—xBaTiO3 (x=0.06时压电性能最好)
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压电陶瓷/聚合物复合材料 将压电陶瓷和压电聚合物按一定的连通方式、 一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复 合而成。 性能影响因素： 组成成分—各组份的比例 两相材料的连通方式
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压电陶瓷/聚合物复合材料的十种基本类型
第一个数字代表陶瓷相的连通维数； 第二个数字代表聚合物相的连通维数 空白区：压电陶瓷；阴影区：聚合物
(2)压电电压常数g： 应力与所产生的电场强度，或应变与所引起的电 位移的关系。
g=d/E
由机械应力而产生电压 的材料如留声机、扩音器 由机械 希望有高的 g值。 希望有
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(3)机电耦合系数k： 综合反映压电材料性能的参数，表示电能转变为 机械能或者机械能转变为电能的分数。 K2 K2 由机械能转换的电能
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压电聚合物种类 通常为非导电性高分子材料。 晶态聚合物： 目前唯一能够商业化生产的压电聚合物材料。 种类：滚延聚偏氟乙烯(PVDF) 和三氟乙烯(TrFE)的共聚物P(VDF-TrFE) 和四氟乙烯(TFE)的共聚物P(VDF-TFE) 奇数的尼龙等。
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非晶态聚合物: 尚无足够高的具有商业应用价值的压电性能。 腈基取代高聚物：聚丙烯腈(PAN) 聚(亚乙烯基氰/醋酸乙烯)(PVDCN/VAc) 聚苯基氰基醚(PPEN) 聚(1-环二丁腈) 最具前途：亚乙烯基氰共聚物（强的介电弛豫强度和 大的压电效应）。
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压电驱动器性能和特点
压电驱动器特点 (1)不需传动机构，位移控制精度高，可达0.01μm； (2)响应速度快，约为10μs，无机械吻合间隙，可实 现电压随动式位移控制。 (3)较大的力输出，约为 3.9kN/cm2。 (4)功耗低，比电磁马达式微位移器低1个数量级，且 当物体保持一定位置(高度)时，器件几乎无功耗。 (5)易与电源、测位传感器、微机等实现闭环控制 。 与电源、测位传感器、微机等 相对其它微位移器件体积小 得多。 相对其它微位移器件
