壓電材料特性分析材料科學(xué)前沿領(lǐng)域能量轉(zhuǎn)換新技術(shù)基礎(chǔ)課程概述基礎(chǔ)理論壓電效應(yīng)原理與發(fā)展歷史材料特性不同壓電材料分類與性能參數(shù)制備測試材料制備方法與性能評估技術(shù)應(yīng)用前景什么是壓電效應(yīng)？定義某些材料受機(jī)械變形產(chǎn)生電荷電荷與應(yīng)力成正比本質(zhì)機(jī)械能與電能直接轉(zhuǎn)換晶體內(nèi)部電荷分布改變特點(diǎn)雙向轉(zhuǎn)換過程壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷史11880年居里兄弟首次發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)21881年逆壓電效應(yīng)的理論預(yù)測與證實(shí)320世紀(jì)初聲納技術(shù)中首次應(yīng)用41950年代壓電效應(yīng)的基本原理晶格結(jié)構(gòu)非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)電偶極子晶胞內(nèi)正負(fù)電荷分離機(jī)械變形應(yīng)力導(dǎo)致晶格畸變電荷分布正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)機(jī)械應(yīng)力→電極化逆壓電效應(yīng)電場作用→機(jī)械變形能量轉(zhuǎn)換機(jī)械能?電能應(yīng)用差異壓電材料的分類天然壓電材料石英、電氣石人工合成材料PZT、PMN-PT壓電陶瓷性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛壓電聚合物柔性好，阻抗高壓電復(fù)合材料綜合優(yōu)勢，性能可調(diào)天然壓電材料石英(SiO?)最常見天然壓電材料性能穩(wěn)定，溫度系數(shù)低電氣石復(fù)雜硼硅酸鹽礦物壓電系數(shù)比石英高水晶石英單晶形式頻率穩(wěn)定性好應(yīng)用限制壓電系數(shù)小資源有限，成本高人工合成壓電材料性能優(yōu)勢壓電系數(shù)高，電機(jī)轉(zhuǎn)換效率高組分可控成分和結(jié)構(gòu)可人為調(diào)控制備技術(shù)固相法、溶膠-凝膠法產(chǎn)業(yè)化水平生產(chǎn)規(guī)模大，應(yīng)用廣泛壓電陶瓷材料PZT系列鉛鋯鈦氧化物，應(yīng)用最廣泛BaTiO?鈦酸鋇，第一代壓電陶瓷PMN-PT鉛鎂鈮-鉛鈦，高性能松弛鐵無鉛體系KNN、NBT，環(huán)保型壓電材料壓電聚合物材料PVDF聚偏氟乙烯最常用壓電聚合物柔性好，阻抗高P(VDF-TrFE)PVDF共聚物結(jié)晶度高居里溫度高應(yīng)用優(yōu)勢柔性可彎曲加工性好聲阻抗接近水和人體組織壓電復(fù)合材料優(yōu)異性能兼具單一材料優(yōu)點(diǎn)可設(shè)計(jì)性組成與結(jié)構(gòu)可調(diào)復(fù)合結(jié)構(gòu)0-3型、1-3型、2-2型典型材料PZT/聚合物、PZT/環(huán)氧樹脂壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)32晶類20種具有壓電效應(yīng)非中心對稱性壓電晶體必要條件點(diǎn)群結(jié)構(gòu)決定壓電性能各向異性鈣鈦礦結(jié)構(gòu)許多壓電陶瓷基本結(jié)構(gòu)類型壓電材料的極化過程初始狀態(tài)晶粒內(nèi)電偶極子取向隨機(jī)施加電場高溫下施加強(qiáng)電場偶極子重排電偶極子沿電場方向排列保持取向溫度降低，取向固定極化完成材料呈現(xiàn)宏觀壓電性壓電常數(shù)及其含義壓電應(yīng)變常數(shù)d單位電場強(qiáng)度下材料應(yīng)變壓電應(yīng)力常數(shù)g單位應(yīng)力下產(chǎn)生電位移機(jī)電耦合系數(shù)k能量轉(zhuǎn)換效率介電常數(shù)εr存儲電荷能力彈性柔順系數(shù)s材料受力變形程度壓電應(yīng)變常數(shù)d??和d??d??縱向系數(shù)電場方向與應(yīng)變方向平行d??橫向系數(shù)電場方向與應(yīng)變方向垂直pC/N單位皮庫侖/牛頓|d??|<d??數(shù)值關(guān)系縱向系數(shù)通常大于橫向機(jī)電耦合系數(shù)k定義能量轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)0≤k≤1數(shù)學(xué)表達(dá)k2=轉(zhuǎn)換能量/輸入能量方向性k??、k??、k??等與振動模式相關(guān)影響因素材料組分晶體結(jié)構(gòu)極化程度介電常數(shù)εr物理含義材料儲存電荷能力極化強(qiáng)度指標(biāo)測量方法電容測量阻抗分析影響因素溫度變化電場強(qiáng)度頻率典型數(shù)值PZT：200-5000PVDF：12石英：4.5彈性柔順系數(shù)s彈性柔順系數(shù)s為應(yīng)變與應(yīng)力比值反映材料機(jī)械變形能力與楊氏模量E互為倒數(shù)：s=1/E壓電材料的等效電路模型單端口網(wǎng)絡(luò)機(jī)械端與電端互連巴特沃斯-范戴克模型靜態(tài)支路與動態(tài)支路并聯(lián)梅森等效電路考慮多模式振動有限元分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確建模壓電材料的諧振頻率fr諧振頻率阻抗達(dá)到最小值fa反諧振頻率阻抗達(dá)到最大值k2耦合系數(shù)計(jì)算k2=π2/8·(fa-fr)/frf·d頻率常數(shù)材料固有特性參數(shù)壓電材料的品質(zhì)因數(shù)Q定義機(jī)械損耗倒數(shù)1影響因素材料組分、溫度、振動模式2測量方法諧振峰半高寬法3應(yīng)用意義高Q值適合諧振型器件4壓電材料的居里溫度定義鐵電相變臨界溫度壓電性消失溫度點(diǎn)物理本質(zhì)晶格對稱性變化極化消失典型數(shù)值PZT：250-360°CBaTiO?：120°CPVDF：80°C實(shí)際意義限制工作溫度上限極化過程參考點(diǎn)壓電材料的溫度穩(wěn)定性溫度系數(shù)表征參數(shù)隨溫度變化程度性能變化接近居里點(diǎn)性能急劇下降材料選擇應(yīng)考慮工作環(huán)境溫度范圍改進(jìn)方法摻雜改性提高溫度穩(wěn)定性壓電材料的老化特性時間依賴性性能隨時間逐漸衰減變化規(guī)律對數(shù)關(guān)系：k~log(t)3機(jī)理解釋內(nèi)部缺陷遷移應(yīng)對策略人工老化處理PZT壓電陶瓷的特性高壓電系數(shù)d??=200-600pC/N高居里溫度Tc=250-360°C組分可調(diào)軟、硬壓電性能可控含鉛問題環(huán)境友好性差PVDF壓電高分子的特性柔性好可彎曲，加工性強(qiáng)阻抗匹配聲阻抗接近人體和水溫度限制居里溫度低（~80°C）壓電性能d??=20-30pC/N壓電單晶材料的優(yōu)勢超高壓電系數(shù)d??>1500pC/N遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)PZT高機(jī)電耦合系數(shù)k??>0.9能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)寬帶特性好適合醫(yī)用超聲探頭挑戰(zhàn)生長困難成本高機(jī)械強(qiáng)度低無鉛壓電材料的研究進(jìn)展壓電材料的制備方法固相法傳統(tǒng)混合煅燒工藝溶膠-凝膠法分子水平均勻混合水熱法低溫合成納米材料共沉淀法制備高純度前驅(qū)體壓電薄膜的制備技術(shù)濺射沉積高質(zhì)量薄膜，厚度可控激光脈沖沉積保持化學(xué)計(jì)量比旋涂法溶膠凝膠工藝，成本低化學(xué)氣相沉積大面積均勻沉積壓電材料的極化技術(shù)溫度控制接近居里溫度下極化電場強(qiáng)度通常2-5kV/mm極化時間10-30分鐘冷卻過程保持電場降至室溫4壓電材料的性能測試方法阻抗分析法測量諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)激光干涉法精確測量位移，計(jì)算d系數(shù)直接壓電法測量應(yīng)力下產(chǎn)生電荷熱特性分析測定居里溫度、相變壓電系數(shù)的測量技術(shù)準(zhǔn)靜態(tài)法低頻(<1Hz)加載測量電荷輸出計(jì)算d??或d??逆壓電法施加交流電場測量位移響應(yīng)高精度要求諧振法利用諧振頻率計(jì)算機(jī)電耦合系數(shù)間接獲得d值阻抗分析法測量材料阻抗隨頻率變化確定諧振頻率fr和反諧振頻率fa計(jì)算機(jī)電耦合系數(shù)k和品質(zhì)因數(shù)Q激光干涉法工作原理光波干涉測量納米位移1優(yōu)勢非接觸測量，精度高2應(yīng)用精確測定d??、d??3設(shè)備邁克爾遜、法布里-珀羅干涉儀4壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域4醫(yī)療超聲成像，診斷治療汽車傳感器，燃油噴射電子濾波器，諧振器工業(yè)超聲清洗，無損檢測能源能量收集，點(diǎn)火器國防聲納，精確制導(dǎo)壓電傳感器力/壓力傳感器接觸測力工業(yè)自動化加速度傳感器振動監(jiān)測工業(yè)設(shè)備診斷超聲換能器距離測量醫(yī)學(xué)成像敲擊傳感器人機(jī)交互智能表面壓電執(zhí)行器堆棧式執(zhí)行器大推力，小位移雙壓電片執(zhí)行器大位移，小推力精密定位系統(tǒng)分辨率達(dá)納米級壓電換能器20kHz功率超聲換能器焊接、切割、清洗1-10MHz醫(yī)用超聲換能器診斷成像、治療50-500kHz工業(yè)無損檢測缺陷探傷、材料表征90%能量轉(zhuǎn)換效率電聲能量轉(zhuǎn)換率壓電發(fā)電技術(shù)路面發(fā)電車輛行駛壓力轉(zhuǎn)化為電能人體動能收集步行、運(yùn)動過程發(fā)電3機(jī)械振動收集工業(yè)設(shè)備振動能量利用環(huán)境能量收集風(fēng)力、水流能量轉(zhuǎn)換壓電材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用超聲診斷B超成像多普勒血流檢測治療應(yīng)用超聲碎石高強(qiáng)度聚焦超聲治療微創(chuàng)手術(shù)超聲切割刀精密定位系統(tǒng)健康監(jiān)測生物傳感器可穿戴設(shè)備壓電材料在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用揚(yáng)聲器高頻揚(yáng)聲器，輕薄設(shè)計(jì)麥克風(fēng)高品質(zhì)拾音器助聽器微型聲音轉(zhuǎn)換器水聲設(shè)備聲吶系統(tǒng)，水下通信壓電材料在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用微執(zhí)行器精密定位微流控控制微傳感器加速度檢測壓力監(jiān)測濾波器射頻濾波信號處理微型諧振器時鐘源頻率控制壓電材料在能量收集中的應(yīng)用將環(huán)境中常被忽視的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為小型電子設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)供電減少電池更換頻率，實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)壓電材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)嵌式傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測振動控制主動減振系統(tǒng)抑制有害振動智能結(jié)構(gòu)變形翼面自適應(yīng)氣動控制能量收集利用飛行振動發(fā)電為傳感器提供能源壓電材料的發(fā)展趨勢環(huán)保無鉛化符合環(huán)保法規(guī)要求微納米尺度納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)筑柔性可穿戴適應(yīng)人體曲面應(yīng)用多功能智能化多物理場耦合效應(yīng)納米壓電材料高表面活性表面效應(yīng)增強(qiáng)壓電性能尺寸效應(yīng)納米尺度新物理現(xiàn)象3形貌多樣納米線、納米片、納米點(diǎn)4應(yīng)用領(lǐng)域微型傳感器、納米發(fā)電機(jī)柔性壓電材料材料體系PVDF類高分子復(fù)合柔性襯底陶瓷薄膜制備方法溶液加工轉(zhuǎn)印技術(shù)噴墨打印性能特點(diǎn)可彎曲、可拉伸低模量、高柔韌性應(yīng)用方向可穿戴設(shè)備電子皮膚柔性顯示器多功能壓電復(fù)合材料壓電功能與其他功能集成壓電-磁性、壓電-光電、壓電-熱電多場耦合結(jié)構(gòu)功能一體化，減少系統(tǒng)復(fù)雜度壓電材料的智能化自適應(yīng)調(diào)節(jié)根據(jù)環(huán)境自動優(yōu)化性能自修復(fù)功能損傷后恢復(fù)性能集成智能算法材料與計(jì)算系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制壓電材料的環(huán)境友好性鉛污染制備能耗廢料處理稀有元素消耗壓電材料的可靠性與壽命影響因素溫度、濕度、電場、應(yīng)力1失效機(jī)制疲勞開裂、去極化、電遷移2評估方法加速老化測試、循環(huán)載荷3改進(jìn)策略復(fù)合結(jié)構(gòu)、保護(hù)涂層4壓電材料的標(biāo)準(zhǔn)化IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE-176:壓電性能標(biāo)準(zhǔn)測量方法IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC60483:壓電陶瓷測量規(guī)程ASTM標(biāo)準(zhǔn)ASTME1065:超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO9000系列:質(zhì)量管理體系國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1250:壓電陶瓷材料測試方法壓電材料產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)成本控制高性能材料成本高規(guī)模化制備性能一致性難保證環(huán)保法規(guī)無鉛替代品性能不足專利壁壘核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)壓電材料的市場前景國內(nèi)外壓電材料研究現(xiàn)狀比較1.5萬全球年發(fā)表論文壓電相關(guān)研究持續(xù)熱門38%中國占比發(fā)表量全球第一45%專利申請?jiān)鲩L近五年全球增長率60%