壓電材料原理、應(yīng)用及現(xiàn)狀

　原理：

??? 壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。那么,什么是壓電效應(yīng)呢？

??? 當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí),就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠(chǎng)家在這類(lèi)壓電點(diǎn)火裝置內(nèi),藏著一塊壓電陶瓷,當(dāng)用戶(hù)按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí),傳動(dòng)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(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?于是,燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。

??? 壓電效應(yīng)的原理是,如果對(duì)壓電材料施加壓力,它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)）,反之施加電壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng),則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí),則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)）,這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。也就是說(shuō),壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能,這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。

??? 壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng),也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形,這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如,壓電材料已被用來(lái)制作智能結(jié)構(gòu),此類(lèi)結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能,在未來(lái)的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

二、應(yīng)用：

??? 壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類(lèi)：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用,包括電聲換能器,水聲換能器和超聲換能器等,以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。

1、換能器

??? 換能器是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的器件

??? 壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng),而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的彎曲振動(dòng),利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對(duì)壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點(diǎn),研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件,如抗噪聲電話(huà)、寬帶超聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)等。

??? 壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用,如用于水下探測(cè)的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等,隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測(cè)、聲波測(cè)試設(shè)備等方面。為滿(mǎn)足特定要求而開(kāi)發(fā)的各種原型水聲器件,采用了不同類(lèi)型和形狀的壓電聚合物材料,如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線(xiàn)等,以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級(jí)相同等特點(diǎn),最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽(tīng)器可以放置在被測(cè)聲場(chǎng)中,感知聲場(chǎng)內(nèi)的聲壓,且不致由于其自身存在使被測(cè)聲場(chǎng)受到擾動(dòng)。而聚合物的高彈性則可減小水聽(tīng)器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩,從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽(tīng)器的性能。

??? 壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域,尤其是超聲成像中,獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性,使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。

2、壓電驅(qū)動(dòng)器

??? 壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng),聚合物驅(qū)動(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ),包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式,基于聚合物雙晶片開(kāi)展的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實(shí)際應(yīng)用,還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力,從而為研制新型聚合物驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國(guó)防應(yīng)用前景的推動(dòng)下,利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究,在美國(guó)軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外,利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性,研究開(kāi)發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用,還需要進(jìn)行大量的探索。

3、傳感器上的應(yīng)用

??? 壓電式壓力傳感器

??? 壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的,所以在連接時(shí)要特別注意,避免漏電。

??? 壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號(hào),輸出信號(hào)大,較高的頻率響應(yīng),體積小,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜,在受到突然振動(dòng)或過(guò)大壓力時(shí),自我恢復(fù)較慢。

??? 壓電式加速度傳感器

??? 壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極,并引出引線(xiàn)。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊,質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓,螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷,整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去,避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出,所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來(lái)制造,殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

??? 測(cè)量時(shí),將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí),由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大,而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小,可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動(dòng),并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng),因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓）,當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí),傳感器給輸出電壓與作用力成正比,亦即與試件的加速度成正比,輸出電量由傳感器輸出端引出,輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)試出試件的加速度;如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路,就可以測(cè)試試件的振動(dòng)速度或位移。

4、在機(jī)器人接近覺(jué)中的應(yīng)用（超聲波傳感器）

??? 機(jī)器人安裝接近覺(jué)傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一,在接觸對(duì)象物體之前,獲得必要的信息,為下一步運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備工作;其二,探測(cè)機(jī)器人手和足的運(yùn)動(dòng)空間中有無(wú)障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙,則及時(shí)采取一定措施,避免發(fā)生碰撞;其三,為獲取對(duì)象物體表面形狀的大致信息。

??? 超聲波是人耳聽(tīng)見(jiàn)的一種機(jī)械波,頻率在20KHZ以上。人耳能聽(tīng)到的聲音,振動(dòng)頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長(zhǎng)較短、繞射小,而能成為聲波射線(xiàn)并定向傳播,機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來(lái)探測(cè)周?chē)矬w的存在與測(cè)量物體的距離。一般用來(lái)探測(cè)周?chē)h(huán)境中較大的物體,不能測(cè)量距離小于30mm的物體。

??? 超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時(shí)電路和控制電路四個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測(cè)物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉,停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開(kāi)始檢測(cè)回聲信號(hào),定時(shí)電路也開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后,就被反射回來(lái)。等到超聲接受器收到回聲信號(hào)后,定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間,是從發(fā)射超聲波開(kāi)始到收到回聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間值,可以換算出被測(cè)物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡(jiǎn)單,即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過(guò)程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。

??? 壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

三、現(xiàn)狀：

下面介紹幾種處于發(fā)展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應(yīng)用。

1、 細(xì)晶粒壓電陶瓷

??? 以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料,尺寸已不能滿(mǎn)足需要了。減小粒徑至亞微米級(jí),可以改進(jìn)材料的加工性,可將基片做地更薄,可提高陣列頻率,降低換能器陣列的損耗,提高器件的機(jī)械強(qiáng)度,減小多層器件每層的厚度,從而降低驅(qū)動(dòng)電壓,這對(duì)提高疊層變壓器、制動(dòng)器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處,但同時(shí)也帶來(lái)了降低壓電效應(yīng)的影響。為了克服這種影響,人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝,使細(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃健，F(xiàn)在制作細(xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競(jìng)爭(zhēng)了。近年來(lái),人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)行了切割研磨研究,并制作出了一些高頻換能器、微制動(dòng)器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚）,證明了細(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是近期的熱點(diǎn)。

2、PbTiO3系壓電材料

??? PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)品難的問(wèn)題,人們還是在改性方面作了大量工作,改善其燒結(jié)性。抑制晶粒長(zhǎng)大,從而得到各個(gè)晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年,改良PbTiO3材料報(bào)道較多,在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應(yīng)用。目前該材料的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。 ?

3、壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料

??? 無(wú)機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹(shù)脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料,兼?zhèn)錈o(wú)機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能,并能產(chǎn)生兩相都沒(méi)有的特性。因此,可以根據(jù)需要,綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn),制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面,壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這個(gè)領(lǐng)域也頗感興趣,做了大量的工藝研究,并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作,目前正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

4、壓電性特異的多元單晶壓電體

????傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類(lèi)型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng),從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)邊,高能換能材料,傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿(mǎn)足要求。于是近幾年來(lái),人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料,做了大量工作,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類(lèi)單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8）,其應(yīng)變>1.7%,幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級(jí)。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg,而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以?xún)?nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱(chēng)這類(lèi)材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍?，F(xiàn)在美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó)已開(kāi)始進(jìn)行這類(lèi)材料的生產(chǎn)工藝研究,它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來(lái)壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。