-new-06第六讲-压电陶瓷的应用VIP免费

第六讲压电陶瓷应用上节课内容?第一页，共一百零二页。某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，——机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应一、压电效应第二页，共一百零二页。二、压电材料的压电常数石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，在三维直角坐标系内的力——电作用状态如图所示：X0°切型石英晶体切片的力——电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6yF1～F3分别为沿x、y、z轴的正应力（或应力分量），F4～F6分别为绕x、y、z轴的切向应力，σ1～σ3分别是x、y、z表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：jijijPd）常数（面上产生电荷时的压电方向的应力分量在）（面上产生电荷的面密度方向的应力分量在）方向的应力分量（C/N:C/m:Pa:2ijdijjPijijj第三页，共一百零二页。1.物理机制⑴石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。1P2P3Pxy1P2P3PxyxFxF1P2P3PxyyFyF不受力图2石英晶体压电模型三、压电效应的物理机制第四页，共一百零二页。⑵压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷第五页，共一百零二页。⑶两种压电材料的特点石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。3.常用压电材料⑴压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。⑵压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。⑶压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。图石英晶体的外形(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形m—柱面；R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面第六页，共一百零二页。原理和应用压电陶瓷片，也是一种发声元件，它利用压电效应工作，既可以作发声元件又可以作接收声音的元件。而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电陶瓷有一个奇妙的特性－压电效应：如将它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向改变时，弯曲的方向也随之改变。第七页，共一百零二页。利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的两用器件，可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电压输出。相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形成声音，这...