压电陶瓷及其应用课件.ppt

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1、压电材料的应用,压电陶瓷的晶体结构：1. 钙钛矿结构2. 钨青铜型结构3. 铌酸锂型结构4. 铋层状结构,5.2 压电陶瓷材料,1. 钙钛矿结构,ABO3：A：1,2,3 Na，K，Ba2+，La3+B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，Fe3+,5.2 压电陶瓷材料,2. 钨青铜型结构,BO6氧八面体以顶角相连构成骨架。 B离子为Nb、Ta、W等。 BO6骨架间存在三种空隙：A1（较大）、A2（最大）、C（最小） 氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为B1和B2 填满型与非填满型。,钨青铜结构在（001)面上的投影,3. 铌酸锂型结构,顺电相,铁电相,氧八面体以共面形式重叠 Li位于氧八面体

2、的公共面 Nb位于氧八面体中心 极化时，Li,Nb偏离中心位置，沿c轴出现电偶极矩,4. 铋层状结构,Bi4Ti3O12,（1） 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,（2） 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆

3、钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,4、压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,（3）压电聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向

4、加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2PZT)。,BaTiO3和PbTiO3压电陶瓷比较,比较可知，BaTiO3压电性好，工艺性好，但致命弱点是工作温区窄（0120），且在工作温区内各压电性能随温度变化很大。因此相比之下，PbTiO3的工作温度区宽，性能更稳定。 另外，PbTiO3陶瓷的介电系数小，热释电系数大，接近于60C/cm2K，居里点高，抗辐射性能好，还是一种相当理想的热释电探测器材料。,PbNb2O6钨青铜结构T

5、c高（570）压电系数的各向异性大，d33/d3110机械品质因素特别低（Q11）,主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等,超声设备,超声波加工装置及原理录象,单相驱动超声旋转马达录象,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,A型超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,钢轨探伤车,滑板式探头,高速钢轨探伤车,铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）,铁路钢轨探头,铁路钢轨对接焊缝探测用探头,缺陷,铁路钢轨探伤用滑板式探头,焊缝,管道环焊缝超声波检测装

6、置,管道环焊缝超声波检测装置原理,超声探伤仪,构件的超声探伤,构件的超声探伤,构件的超声探伤,现代其他应用,地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏；,EPSON微压电打印技术喷墨示意,微压电打印技术 墨滴特点：圆、小、同样尺寸、排列整齐、没有卫星墨滴、打印头寿命长、喷射频率快,传统加热式打印技术喷墨示意,传统打印技术 墨滴特点：不圆、大、有大有小、排列不整齐、有卫星墨滴、打印头寿命短、喷射频率慢,衣服都能发电! 新奇科技让我无所不能.,密歇根理工大学机械工程师Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亚利桑那州立大学的Henry Sodan

7、o和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在最近一期的巧妙材料和结构杂志上发表了文章，介绍了他们在能量获得方面的最新创新成果 一款利用压电材料制成的通过背带产生能量，为便携式的电子设备充电的背包。,美国麻省理工学院建筑和规划系的学生Thaddeus Jusczyk（中）和James Graham（右）正在尝试利用人们走动时地板的滑动来产生电。,原子力显微镜各种成像模式的原理,法国：开发新型压电材料 聚集雨滴中的能量,CCTV.com2008年04月07日 07:28来源：CCTV.comCCTV.com消息(环球时讯)：环保节能已经日益成为全世界共同关心的重大议题。科学界正在努

8、力寻找各种可替代能源，以及更加清洁环保的发电方法。近日，法国原子能委员会的科学家表示，他们研究出一种通过雨滴来获取能量的方法。 压电效应：一些晶体材料在受到压力作用下，表面产生电压的现象。 在解释这项研究前，先来了解一个物理学名词，压电效应。一些晶体材料在受到压力作用下，会在表面产生电压，这一现象被称为压电效应。能产生压电效应的晶体材料，就被称为压电材料。而法国科学家的研究成果，正是发现了一种在雨滴撞击下产生电压的压电材料。 工程师让雅克沙尤说，他们开发出了一种可以利用降雨发电的新材料。通过模拟测试显示，一滴雨水可以产生的能量在十万万分之一焦耳，到四万分之一焦耳之间。尽管这种方式产生的电能是极

9、其微小的，但科学家们相信，这表明他们是在朝着正确的方向前进。,雨滴录象,研究人员表示，研究的目标不是要像电厂一样大量生产电力，而是要替代电池为小型电器供电，从而减少人们对普通电池的依赖。 除了研究压电材料外，这个研究小组还在研究其他一些非常规的发电方法。 实验：通过机器的震动发电，将灯泡点亮。 例如，如何利用物体的震动、或是按压动作来发电。按下这个按钮，就完成了给这个电子室温计充电的过程。 利用人体热能发电也是一个重要的研究方向。仔细观察一下，这并不是用手指按压启动电灯开关，而是通过手指的热量产生电力，触动了电灯开关的。 研究人员表示，使用电池除了经常需要更换外，还会给环境造成污染，像目前用电

10、池供电的一些报警装置，如果使用这种热能发电原理进行改造后，就永远不用担心电池没电了。 责编：石光辉,压电式平面喇叭,经由双簧式压电致动器出力使基板产生振动从而构成一扬声机制：用于移动电话、个人数码助理(PDA) 、笔记本电脑等之发声模块。,MICROSPEAKER 15g,DMA 3g,压电喇叭应用实例,N506i,V501T,压电致动器用于相机镜头,压电振荡器,用于加湿机，医疗雾化等领域。,压电换能器,汽车倒车雷达,我国产业发展现状,中科院1979年开始致力于非铅压电陶瓷的研究目前国内压电陶瓷市场上的产品仍以传统技术和生产方式进行运作无铅产品还未形成产业化优势无铅化正是行业内主要努力方向,发

11、展方向,压电陶瓷,与压电有关的那些人,姚熹姚熹教授是国际陶瓷学院的创始会员并且是其顾问委员会的委员；国际铁电顾问委员会中代表中国的委员；国际学术刊物铁电快报的编委和欧洲固态与无机化学杂志的科学委员会委员。他于1982年因对铌酸锂双晶研究中所作出的贡献获得美国施（Xerox）公司颁发的Xerox奖 1985年由于他发现了晶粒压电共振现象而获美国陶瓷学会的Ross-Coffin-Purdy奖。姚熹教授不仅是中国科学院院士，也是国际陶瓷科学院院士、顾问委员会成员，亚洲铁电学联盟主席，国际铁电学顾问委员会成员，美国电机与电子工程师协会（IEEE）高级会员和UFFC铁电学委员会成员，美国材料研究学会（M

12、RS）、美国陶瓷学会（ACerms）会员。他1990年被法国国家研究中心固态化学研究所聘请为高级研究员，1995年受聘为新加坡南洋理工大学访问教授。姚熹教授还是国际铁电学报、欧洲无机化学与固态化学学报以及国内许多学报的编委或顾问。1997年获何梁何利科学技术进步基金奖。2002年姚熹院士获IEEE铁电学成就奖和并当选美国陶瓷学会会士,2007年被授予美国工程院院士。姚熹教授曾经担任许多国际会议主席、顾问委员会成员、分会主席。电介质材料与器件、铁电、压电、热释电材料与器件、氧化物半导体材料与器件、纳米复合功能材料与器件、机敏传感器与执行器、集成铁电器件，及铁微机电系统等。,江苏武进人，年当选为中

13、国科学院技术科学部委员（院士）。年月日出生在一个普通的教师家庭。年毕业于上海大同大学附中二院，被选入北京俄语专科学校二部学习，为后来选派苏联留学打下了俄语基础。后身体原因未能去成，根据教育部未被派往苏联留学的学生可任意选一所大学学习的规定，入交通大学电机系学习，年毕业分配到西安交通大学电机工程系任助教、讲师。年秋赴美国宾夕法尼亚州立大学材料研究所进修，年开始攻读博士学位，仅用个月的时间，即完成了通常需要年才能完成攻读博士学位工作。他的博士论文铌酸锂双晶体与多晶陶瓷的介电、压电性质研究，被评为当年美国宾州材料科学的最佳博士学位论文，并获施乐（）奖，成为自该校年设立固态科学学位以来用最短时间取得博

14、士学位者。姚熹获得固态科学博士学位后，他又在该校进行了一年的博士后研究。年，姚熹回到西安交通大学电子工程系任副教授，次年被高等教育部及国务院学位委员会特批晋升为教授，博士生导师。因此，他又成为我国电子材料与元器件学科的第一位博士生导师。年，姚熹筹建微电子技术研究所，任所长，同时开始筹建电子材料研究实验室。年，该所得到国家“”新材料研究计划资助，同年由国家计委和国家教委批准为国家专业实验室。该实验室是“八五”期间世界银行贷款支持的全国重点学科发展计划的个重点（跟踪）实验室之一，也是“工程”西安交通大学重点建设学科之一，他任实验室主任。年姚熹又开始筹建电子材料与器件研究所，任所长。姚熹先后还任西安

15、交大电子工程系主任、电子材料研究所所长、电子信息工程学院院长、电子陶瓷与器件教育部国家重点实验室主任等职，并被上海交通大学、电子科技大学、西安电子科技大学、四川大学、中山大学、湖北大学等多所学校聘为兼职教授和名誉教授。年，姚熹又创建了上海同济大学功能材料研究所，任所长、教授、博士生导师；并任同济大学混凝土材料研究国家重点实验室学术委员会主任，中国科学院上海硅酸盐研究所先进陶瓷与微结构国家重点实验室副主任、无机功能材料开放实验室主任和中国科学院酸盐研究所的兼职研究员。,年，姚熹被法国国家研究中心固态化学研究所聘为高级研究员，年受聘为新加坡南洋理工大学及国立大学访问教授和“南洋教授”。姚熹长期从事

16、铁电体与电子陶瓷材料与器件方面的教学和研究工作。至今已先后指导培养了余名博士和余名博士后。从事电子陶瓷材料与器件的研究工作，在双晶和多晶界面的研究中发现了陶瓷晶粒的压电共振现象。对铁电体中的极化驰豫现象进行了系统研究，发现了微畴宏畴转变、电场诱导纳米结构调整以及超顺电状态等一系列新现象，对发展机敏材料有重要意义。他参与多项国家新材料论证研究工作。年，他参加了国家“”计划第一次百名专家论证会。年担任“”新材料领域专家委员会委员时，参与国家高技术新材料研究计划的制定与实施。并任无机非金属功能材料方面专题与课题的责任专家，负责多层陶瓷电容器重大课题的论证与实施。“七五”、“八五”期间兼任精细（纳米）

17、复合功能材料专题负责人。“八五”、“九五”期间又担任国家自然科学基金陶瓷方面的重大项目、重点项目负责人或课题负责人。所从事的电介质材料与器件、铁电、压电、热释电材料与器件，氧化物半导体材料与器件、纳米复合功能材料与器件，机敏传感器与执行器等课题，取得了较大的成就。其中由他发现的晶粒压电共振现象，年获美国陶瓷学会奖；电介质材料超慢弛豫过程及其测试方法的研究获电子工业部和国家教委科技进步二等奖；铁电薄膜及热释电薄膜的研究，年、年分获西安交通大学科技成果一等奖和国家教育部科技进步二等奖。年，以其“在铁电领域中技术创新方面的成就，在中国电子陶瓷教育方面的指导作用以及对中国和国际铁电界的杰出贡献”，被美

18、国电气与电子工程师协会授予铁电学成就奖。铁电学成就奖，每两年在世界范围内从铁电学术界和工程界各选出人授奖。当年共有来自美国、日本、德国和中国的人获得提名，最终由姚熹获得此奖。此外，姚熹还获年度光华科技一等奖和年何梁何利科技进步奖。至今，姚熹已获中国、新加坡、美国专利项，在国内外发表论文多篇，编写教材、专著本，起草两项国家标准。他是国际铁电学报、欧洲无机化学与固态化学学报以及国内许多学报的编委、顾问等。年被国家人事部授予国家级突出贡献的中青年专家称号，并享受国家第一批政府特殊津贴。曾获陕西省劳动模范、陕西省优秀教师、全国教育工会“三育人”先进个人称号。1995年被香港理工大学授予杰出访问学者奖。

19、,李龙土,Kenji Uchino教授简介：Uchino教授，1973-1981年东京工业大学获得本科、硕士及博士学位。Uchino教授是国际著名智能材料及陶瓷驱动器研究先驱，IEEE，美国陶瓷学会、日本陶瓷学会以及日本应用物理学会、材料研究学会资深会员。现任美国宾州州立大学材料研究所驱动器及换能器国际中心主任。Uchino教授历任Journal of Advanced Performance Materials, J. Intelligent Materials Systems和Structures and Japanese Journal of Applied Physics等多家国际著名学术杂志编委，至今已经发表了461篇学术论文，申请了29项专利，出版62本学术著作。Uchino教授在国内国际会议应邀200多次特邀报告。,美国宾州州立大学Kenji Uchino教授在上海硅酸盐所作学术报告,国外专家,包括美国宾州大学Kenji Uchino教授德国汉诺威大学Jrg Wallaschek教授韩国科学技术研究院Seok-Jin Yoon教授日本庆应大学Takashi Maeno教授韩国大学Sahn Nahm教授英国牛津大学Michael Glazer教授Dwight Viehland教授,/10/29,54,.,