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了解一下不同類型的壓電材料
2020年06月24日 發布 分類:粉體入門 點擊量:977
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壓電性是指材料在受擠壓或拉伸時可以產生電荷,或在材料兩端施加電壓后使材料伸長或縮短的特性。壓電材料因外部作用發生形變時會產生電力,從而能夠將機械能轉化成電能。人類利用壓電材料的歷史可以追溯很遠,例如,擊打燧石(石英)獲取火花就是一個利用材料壓電效應的原始案例。

 

當燧石與鐵器相互撞擊很容易就會產生火花

壓電材料不僅像馬達那樣可直接將電力轉換成驅動力,還可以用電產生聲波、超聲波等。壓電效應自發現以來,在電子、超聲、通信、引爆等許多技術領域均得到廣泛的應用。

壓電材料有哪些?

2020年壓電陶瓷材料由于口罩超聲焊及呼吸機的換能器走進了大眾的視野,但壓電陶瓷并非唯一的壓電材料哦,根據材料體系不同可以將壓電材料大致分為壓電晶體單晶、壓電陶瓷多晶有機高分子壓電材料半導體壓電材料等下文將對其進行簡要介紹。

壓電晶體單晶

壓電晶體是較早的壓電效應應用的材料主要有石英晶體(SiO2)、水溶性壓電晶體(酒石酸鉀鈉)以及酸鋰晶體壓電單晶體的性能穩定造價高昂一般用于標準儀器或精度要求較高的傳感器

人工石英晶體 

Tokyo Denpa人工石英晶體

壓電陶瓷多晶

壓電陶瓷是人工制作的多晶體,壓電陶瓷的發現和應用時間并不長,最早發現具有壓電性能的陶瓷材料為鈦酸鋇是在1947年。在短短的幾十年里,壓電陶瓷材料由于制作工藝簡單、耐潮濕、耐高溫等優點,發展極為迅速,應用日益廣泛。從日常生活用的壓電式電子打火機到壓電揚聲器,乃至飛船、導彈中的振動測量傳感器,都要用到壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的壓電常數為石英晶體的幾倍,靈敏度高,在檢測技術、電子技術和超聲領域中應用很普遍。

TDK壓電粉體液位傳感器 

TDK壓電粉體液位傳感器結構示意圖

按其組成基本元素多少可壓電陶瓷分為以下幾類,二元系壓電陶瓷:主要包括鈦酸鋇BaTiO3鈦酸鉛PbTiO3鈦酸鉛系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)酸鹽系列KNbO3PbNb2O3。其中以鈦酸鋇,尤其以鈦酸鉛系列壓電陶瓷應用最廣。三元系壓電陶瓷:目前應用的PMN,它由鎂酸鉛Pb(Mg1/2Nb2/3)O3-鈦酸鉛PbTiO3-鋯鈦酸鉛PbZrO3三成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂酸鉛等。四元系壓電陶瓷:四元系壓電陶瓷綜合性能更為優越。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鈦酸鉛(PZT系列),它是鈦酸鋇(BaTiO3)和酸鉛(PbZrO3)組成的Pb(ZrTi)O3。它有較高的壓電系數和較高的工作溫度。鎂酸鉛是20世紀60年代發展起來的壓電陶瓷。它是由鎂酸鉛(Pb(MgNb)O3)酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛((PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷,具有極高的壓電系數和較高的工作溫度,而且能承受較高的壓力。

有機高分子壓電材料

高分子壓電材料大致可分為兩類一類是某些合成高分子聚合物經延展拉伸和電極化后具有壓電性稱為高分子壓電薄膜如聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氨酯等。它的獨特優點是質輕柔軟、抗拉強度高、蠕變小、耐沖擊、擊穿強度為150~200kV/mm可以大量生產和制成較大的面積。因此在一些特殊用途的傳感器中獲得廣泛的應用。

壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜) 

壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜)

另一類是高分子化合物中摻雜PZT壓電陶瓷粉體或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜這種復合材料保持了高分子壓電薄膜的柔軟性又具有較高的壓電常數和機電耦合常數。

此外還有一類是硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CeTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)等這些既具有壓電特性又具有半導體特性的材料。他們既可用其壓電性研制傳感器,又可用其半導體特性制作電子器件;也可以兩者合集元件與線路于一體研制成新型集成壓電傳感器測試系統

參考資料:

1、壓電材料及壓電效應的應用,沈陽化工大學能源與動力工程學院,宋海龍,汪勇,李昊東,金丹等著。

2、科普中國,壓電材料:那些你意想不到的發電方式。

3、傳感器原理與應用技術,宋強,張燁,王瑞等著。

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