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压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用.pdf

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压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用-- 压电材料的发展及应用在新能源材料 中的应用 压电材料的发展及应用-在新能源材料中的应用 0 目录文献综述与选题 1.1压电材料的发展及应用 1.1.1压电陶瓷 1.1.2压电聚合物材料 1.1.3压电复合材料 1.1.4压电材料的应用 1.2压电材料在新能源材料中的应用 1.2.1压电发电的基本原理 1.2.2压电发电的研究现状 1.2.3压电发电的应用实例 1.2.4压电发电技术的发展趋势压电效应是19世纪末首先在水晶和 电气石等晶体中发现的。当机械外力作用于晶体时，晶体发生形变使正负电荷 重心位置偏移而极化。这种由于形变而产生的电效应，称为正压电效应；对材 料施加一电压而产生形变时，称为逆压电效应。材料的压电性取决于晶体结构 是否对称，晶体必须有极轴（不对称），才有压电性，同时材料必须是绝缘体。 随着对压电材料不断深入研究，发现许多天然的、合成的聚合物也具有压电性 能。 压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用-- 压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用-- 近年来，随着能源短缺、环境污染等问题的不断凸显，需求一种高效、 清洁的供能方式已经被各国政府所关注。跟传统的在众多的光电转换、热能、 生化能相比，压电材料以其结构简单、成本低、易于实现等优点在能量收集中 的应用越来越受到人们的关注。1880年居里兄弟发现电气石的压电效应以后， 便开始了压电学的历史。1881年，居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并 且获得了石英晶体相同的正逆压电常数。1894年沃伊持指出，仅无对称中心的 2O种点群的晶体才可能具有压电效应。石英是压电晶体的代表，它一直被广泛 采用至今。利用石英的压电效应可制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次 世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水 下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 除了石英晶体外，罗息尔盐、ADP、EDP、DKT等压电晶体也各有其长 处和用途。但是压电材料及其应用取得划时代的进展，还是开始于第二次世界 大战中发现的BaTiO3陶瓷付诸应用之后。1947年，美国的罗伯特在BaTiO3陶 瓷上加高电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都 积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等 计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到 5O年代中期 1955年，美国的B．贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的锆钛酸 铅，即PZT压电陶瓷口，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现 了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波 器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。 应用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，7O年代末期也已 实用化。 另外，在70年代初刚引起人们注意的有机聚合物压电材料(PVDF)，现 在也已基本成熟，并已达到了生产规模口。下图为压电材料分类图：压电陶瓷 (piezoelectricceramics)材料主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、改 性PZT和其它三元体系。目前应用最多的是PZT和改性PZT。 压电陶瓷具有压电效应是其内部结构决定的。压电陶瓷是一多晶体， 由许多小晶粒无规则“镶嵌”而成。每个晶粒内的原子都是有规则的排列，各 压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用-- 压电材料的发展及应用在新能源材料中的应用-- 晶粒的晶格方向则不一定相同，因而从整体来看，仍是混乱、无规则的。压电 材料的晶体结构不是一成不变的，将随温度而变化。如BaTiO3和PbTiO3，当 温度高于TC时，晶格为立方晶系，低于TC则转变为四方晶系，TC称为相变温 度。立方晶格为对称结构，无压电效应；转变为四方晶格时，存在压电效应， 所以TC又称为居里温度。不同材料的压电陶瓷，居里温度不同。 BaTiO3是最早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压 电性设计鱼群探测器，其最大的缺点是谐频温度特性差。但是用Pb和Ca等元 素部分地取代BaTiO3中的Ba，可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性，故在广泛使 用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采甩改性的BaTiO3压电陶瓷。 像BaTiO3那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO3和PbZrO3等。PbTiO3 陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高(490℃)、各向异性大(c／ a=1.064)和介电常数小等特点。另外，它的谐频温度特性也好．并且频率常数 比FZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获 得致密的纯P