压电材料的制备应用及其研究现状.docx
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压电材料的制备应用及其研究现状
合肥学院
HefeiUniversity
综述题目压电材料的制备应用及其研究现状
课程名称无机材料物理性能
指导教师
系别/班级
姓名
学号
压电材料的制备应用及其研究现状
摘要:
从压电材料的压电效应入手,介绍了压电材料的分类及结构组成。
针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,列出现阶段压电材料的制备技术。
综述了近年来压电材料的研究现状,并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。
关键字:
压电材料;压电效应;制备技术;应用;发展
1.引言
随着高新技术的不断发展,作为促进现代社会进步三大支柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。
特别是进入本世纪七十年代以来,由于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量行业的迅速崛起,要求材料的功能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高,使智能材料的研究更加受到人们的青睐。
目前,可作为智能材料系统中的执行材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等;可作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料,其中压电材料能够自适应于环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化,具有集传感、执行和控制于一体的特有属性,是智能材料系统中的主导材料。
2压电材料概述
2.1压电效应
压电体,即在受外力情况下可产生电荷(正压电性)或在受外电场情况下可产生形变(逆压电性)的电介质体。
1880年,法国著名科学家雅克·居里和皮埃尔·居里在对石英晶体的研究过程中首次发现正压电效应。
不久之后,二人通过理论分析及实验测试证实了逆压电性的存在。
2.2压电材料类别
第一类是复合压电材料,这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。
第二类是有机压电材料,又称压电聚合物,如偏聚氟乙烯(PVDF)(薄膜)及其它为代表的其他有机压电(薄膜)材料。
第三类是无机压电材料,分为压电晶体和压电陶瓷,压电晶体一般是指压电单晶体;压电陶瓷则泛指压电多晶体。
3压电材料的制备方法
3.1无机压电材料块体的制备工艺
要制备块体压电材料,首先要制备压电材料粉末,然后在压力机下预压成坯体,分别在650℃和850℃预烧2h,再研磨粉碎。
在这里主要有2种方法形成块体。
(l)把粉末装人所需要形状的模具内加人PVA,在压力机下或采用等静压加l00MPa压力制成圆片(注意:
圆片的直径与厚度之比大于10),再把圆片放人刚玉板上,在圆片的周围撒一些践仇粉末,然后用刚玉增祸覆盖圆片(目的是使挥发的Pb在刚玉柑祸内形成保护气氛,从而减少配比中Pb的损失);或者在称量时多称量计算质量5%(一般在做实验时,上述2种方法都采用),一起放人高温炉中缓慢加温至4阅℃左右(除去PVA),保温0.5h,然后加温到12(X)℃下保温2h。
随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。
(2)把装有粉末的模具放人热压炉中加压烧结(保护Pb的损失可采用上面提到的方法),当加温到12℃下保温2h。
随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。
制备压电材料粉末主要有以下3种方法:
(l)直接混合球磨法以PZT为例。
将氧化铅、氧化错和氧化钦按一定摩尔比和一定量的无水乙醇(在实验室一般使用无水乙醇,目的是使粉料充分混合和渗透到磨细的颗粒表面,降低粉料的表面能,从而使颗粒不在团絮成大颗粒;在工业生产中,为了降低成本,可以使用蒸馏水代替无水乙醇,作用与无水乙醇一样,唯一的区别是无水乙醇能很快蒸发掉)加人球磨机中混匀后,在研钵中研磨使无水乙醇挥发。
(2)共沉淀法其基本原理是利用金属离子水解,再将水解的产物与其他离子反应。
精确控制沉淀条件可使溶液中的各种金属离子同时沉淀,然后将它们加热分解,生成复合金属氧化物的纳米粉末。
(3)溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是一种借助于胶体分散的制备方法。
由于胶体粒径都在几十纳米以下,且十分稳定,可以使各种金属离子均匀稳定地分布其中。
胶体经脱水后就变成凝胶,从而获得纳米粉。
以PbTiO3为例,首先将含有结晶水的醋酸铅在80℃下脱水24h,冷却后把醋酸铅溶解在甲醇当中,然后在搅拌条件下滴于钦酸四丁醋形成淡黄色透明溶液,再加人适量水搅拌生成透明溶胶,放置3一5天使其发生水解一聚合反应,将凝胶在130℃条件下干燥8h,经研磨过筛,得到干胶粉末,最后分别在350℃和600℃温度下热处理2h,即可得到粒度在10一20nm之间的高纯度的PbTiO3陶瓷粉末。
3.2无机/聚合物压电复合材料块体的制备自从1978年美国宾州州立大学材料实验的R.E.Newnham首先提出简单立方模型和符号。
复合材料中所含有相可以用O,1,2或3维方式自我连通。
如果复合材料山2个分量相组成,可以有10种连通方式,即0-0)于0-1,0-2,O-3,l-l,l-2,l-3,2-2,2-3,3-3。
符号的第1个数字代表陶瓷压电相的连通维数,第2个数字代表聚合物相的连通维数。
根据上述结构,研究得最多的0-3,1-3,2-2,3-3。
3.2.10一3型
这种结构压电陶瓷/聚合物复合材料在三维互连的聚合物中填充压电陶瓷颗粒而形成的压电复合材料。
主要有以下几种制备方法:
(l)热压法将PZT粉与PVDF粉末相混合,加入适量的溶剂搅拌均匀,待有机溶剂完全挥发后,将混合粉料加入XQ-2金属镶嵌机中,在180℃左右热压成型,自然冷却至室温,然后取出样品,样品的直径为22mm,厚度d=0.20-0.30mm。
(2)轧膜法将PVDF粉末加入热炼机XKR-160二辊之间加热,在180℃左右,PVDF充分软化,至半熔融状态并包覆滚筒后缓慢加入PZT粉末,,轧膜成型,自然冷却至室温,取膜,并冲成直径为小二22mm,厚度为d=0.20-0.30mm的图片。
(3)将环氧树脂分别与PZT粉末均匀混合,利用树脂的成型性,制成0-3型复合材料。
(4)模压工艺将配成PZT粉末混合均匀后,一个自制的上、下二面带有保压夹具的模具里一定的压力制成直径为24mm,厚度为lmm的圆片,然后将带有保压夹具的模具移入烘箱中,使PVDF在180一305℃下固化即得到了以PZT/PVDF复合材料。
3.2.21-3型
这种结构压电陶瓷/聚合物复合材料是指由一维的压电陶瓷柱平行地排列于聚合物当中形成的压电复合材料。
制备1-3型复合材料的方法主要有排列一浇铸法、切割一填充法、模具浇铸成型和注射法。
3.2.32-2型
这种结构的压电复合材料各相的连通方式就是陶瓷相与聚合物相分别在二维方向上相互平行。
制备2-2型复合材料一般采用热压法、层叠一浸渍法和切割一填充法。
(l)热压法以PZT陶瓷片作为陶瓷相,以PVDF粉末填入作为聚合物相,在镶嵌内逐层排列达到所需要的厚度后,加热至180℃左右,加压成型,然后自然冷却至室温。
(2)层叠一浸渍法将PZT片按要求的层数叠好,浸渍在环氧树脂或硅胶中,在80℃左右固化成型,最后经过整形即可。
(3)切割一填充法烧结好的PZT陶瓷块经过切割和一次填充即可制得2-2型复合材料。
(4)边压边加料成型法作者采用的改进工艺就是在压力模具中先加入已经制好的PZT粉末,在压力l00MPa下成型,松压后,再加入PVDF粉末再升压到l00MPa成型,然后按上述方法达到试验者所需要的要求厚度,取出来在180-250℃的温度下固化,即可得到2-2型压电复合材料。
3.2.43-3型
这种结构的压电复合材料是指陶瓷材料和聚合物相在三维空间内互相交织、相互包络而形成的一种空间网络复合材料。
这种压电复合材料的制备主要采用以下3种方法。
(l)有机物烧蚀法是指将塑料球粒与陶瓷粉末在有机物粘结剂中均匀混合,烧去后形成多孔陶瓷框架网络,然后再填充聚合物,经固化后得到3-3型复合材料。
(2)纤维复合材料成型法即一般的复合材料成型技术。
(3)“Relic”纤维复合法它是一种新的制备3-3连通型压电复合材料的方法。
David等用助Sol-gel工艺制备的PZT,溶胶去浸渍碳纤维,经烧结在碳纤维表面附着一层PZT,然后采用纤维复合材料成型技术与树脂固化即得到了3-3连通型复合材料。
另外,还有夹心法、梯形格式和烛光造孔法。
4压电材料的应用及发展
随着压电材料制备技术的发展,压电材料在生物工程、军事、光电信息、能源等领域有着更加广泛而重要的应用。
4.1生物领域
将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压电陶瓷来实现生物仿生;纳米发电机用氧化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液流动产生的机械能转变为电能,供给纳米器件来检测细胞的健康状况;PVDF薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中。
4.2军事方面
压电材料能在水中发生、接受声波,用于水下探测、地球物理探测、声波测试等方面;PZT薄膜因其热释电效应而应用在夜视装置、红外探测器上;利用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动控制;压电复合材料用在压力传感器检测机身外情况和卫星遥感探测装置中。
4.3光电信息领域
压电材料具有电光效应、非线性光学效应、光折变效应等光电特性,在光电方面的应用有声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等;利用压电材料的压电效应和热释电效应可以对外界产生的信号进行处理、传输、储存,用在机器人和其它智能结构中,用PVDF压电材料制成触觉传感器已能感知温度、压力及识别边角棱等几何特征。
4.4可再生能源
利用压电效应收集海浪、风力、人力、汽车产生的振动能量实现机械能的再生利用。
微机电系统可为各类小型装置提供平均输出的电源,Platt等用多层压电振子实现小体积压电结构的高能量输出,通过电路并联输出30V左右的开路电压;海浪发电利用海浪对压电材料的拉伸和放松,通过电子元件变成为低频高压电流;时速为16公里的微风挤压或伸展微型风车中的压电材料便可产生7.5mW的电能,能将18%的风能转化为电能;发电鞋通过脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电流,在标准体重和步幅下能产生250mW的能量。
5结语
材料的制备工艺对器件性能有显著的影响。
随着智能系统以及其他行业对压电材料性能要求的提高,对压电材料制备工艺技术的研究将不断地深人和发展,这必将促进新压电材料的研究和开发。
同时,新压电材料的研究和开发提高了新材料的性能要求又促进了材料科学制备工艺的快速发展,最终为新压电材料在各种行业中的广泛应用开拓了新领域。
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