廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究1

第一章 绪论

1.1压电材料概述

1.1.1压电效应

1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关，这种现象称为压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。

压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。当对压电陶瓷施加一个与极化方向平行的压力F，如图1.1（a）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应的现象就是压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应。如图所示：

图1.1 压电效应示意图:（a）正压电效应（b）负压电效应

正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电效应。 廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究2 逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。

1.1.2压电陶瓷的诞生与发展

具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷，1942年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（3BaTiO）陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。

当今广泛应用的压电陶瓷是PZT，即3,OTiZrPb压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的33PbTiOPbZrO二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（3BaTiO）陶瓷的两倍。此外，若在PZT的组成中加入3ONbMgPb后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。

1.2压电材料的应用

自 1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来 ,作为压电陶瓷的应用产品 ,已遍及人们生活的各个方面.压电材料作为机电耦合的纽带 ,其应用非常广泛，下面我们来举其中几例：

① 声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究3 ② 压电引爆器 自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。

③ 压电打火机 现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。

除此之外，压电变压器、压电换能器、压电超声马达等也是压电陶瓷的重要应用。

1.3压电陶瓷的发展现状和趋势

1.3.1压电陶瓷的发展现状

压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力因素等方面展开的，国外的科学家们尝试了多种压电陶瓷发电方式，目前，有关这方面的研究已经在美国、荷兰、西班牙等国家相继开始，而国内对压电发电的研究尚处于起步阶段。

1996年，荷兰的Thad Starner等利用压电陶瓷收集“开、合”笔记本电脑的运动能量，用以驱动笔记本电脑，自此开创了压电发电与能量存储技术这一研究领域。

日本科学家梅田干雄等（1996,1997）用一个自由落体的球去撞击表面粘有压电陶瓷的金属薄板（压电振子），并设计了一个等效的机电转化电路模型，计算了该模型能够产生电荷的数量，对利用整流桥和电容搭建的存储电路进行了转化效率方面的研究，计算得出这种存储方法的最大转换效率为35％，是太阳能电池转化效率的3倍多，同时分析得出：提高机械品质因数、机电耦合系数和降低介电损失可以进一步提高压电发电装置转化效率。但是该研究人员还指出，在廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究4 实际应用中，压电发电装置很难达到理想状态的35％转化效率，目前所能达到的转化效率在25％—30％之间。他们的工作证实了利用压电发电装置发电的高效性。

美国科学家Elvin（2001）认为随着电子产品功耗的不断降低，利用能量收集装置将环境中的能量收集起来用来充当无线发射器的电源将成为可能。它所设计的发电装置是由一个贴有压电陶瓷的梁构成，利用整流桥和电容收集压电发电装置产生的电荷，无线发射器由电容收集的能量来供电，这个电容允许充电到1.1v,然后放电到0.8v停止，充放电过程大约需要1秒钟。由此证明，利用压电发电为无线发射器供电时可行的。

韩国科学家Ji-Yoon Kang和Hyung-Jun Kim提出了一种优化设计压电发电装置方法，可以最大限度的提高微型压电发电装置的发电能力。所设计的微型发电装置的核心器件是悬臂支撑的矩形压电振子，依靠对其施加周期的均匀载荷使其发生变形而产生电荷。研究结论得出：压电陶瓷晶片与金属基板的厚度比为0.525，长度比为0.6的压电振子是最适合制作压电发电装置的。而且从理论分析还得出当加大施加载荷时可以有效提高压电发电装置的发电能力。

目前，利用压电材料进行振动能量回收的研究主要集中在三个方面，即材料、结构和接口电路。从提高材料性能的角度出发，可以采用压电单晶、压电功能梯度材料、多层压电陶瓷等，但这些材料制作费用比较昂贵。综合考虑成本和回收效果，目前主要采用的材料还是压电陶瓷或压电双晶片。

1.3.2压电陶瓷的发展趋势

近年来，压电陶瓷的发展呈现了一些新的趋势，主要如下：

① 无铅压电陶瓷 无铅压电陶瓷 ,也被称为环境协调性压电陶瓷 ,它要求陶瓷材料在制备、使用、废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质 ,以避免对人体健康造成危害 ,减少环境污染。然而 ,目前使用的压电陶瓷材料主要以 PZT为基材料 ,其压电性能大大优越于其它压电陶瓷材料 ,而且可以通过掺杂改性和工艺控制调节材料的电学性能 ,以满足各种应用需求。目前 ,对无铅系压电材料的研究主要经历了从钛酸钡基、钛酸铋钠基、廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究5 铋层状结构、铌酸盐基和钨青铜结构无铅压电陶瓷的研究过程，其中铌酸盐基无铅压电陶瓷是最有应用前景的无铅压电材料。虽然无铅压电陶瓷的开发和研究已经取得了较大的进步 ,但要让无铅压电陶瓷完全取代铅基压电陶瓷还无可能 ,无铅系压电陶瓷的研究与开发还将任重而道远。

② 压电复合材料 为了在水听器的应用中发挥作用 ,压电复合材料在

20世纪 70年代逐步发展起来.压电复合材料是由压电陶瓷相和聚合物相按照一定的连接方式而构成的一种具有压电效应的功能复合材料. 由于柔性聚合物相的加入 ,压电复合材料的密度、声阻抗、介电常数都降低了 ,而复合材料的优值和机电耦合系数提高了 ,克服了单纯的压电陶瓷的脆性和压电聚合物的高成本的弊端。当前，压电复合材料的研究主要集中在开发连接类型、改进成型工艺和制备多功能器件等方面。

③ 纳米压电陶瓷 近年来随着纳米技术的飞速发展 ,纳米陶瓷逐步受到人们的关注.纳米粉体经成型和烧结 ,形成致密、均匀的块体纳米陶瓷 ,材料的韧性、强度和超塑性大幅提高 ,克服了工程陶瓷的许多不足 ,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响。近年迅速发展的各类压电变压器、压电驱动器、大功率超声焊接技术、压电式振动给料器、超声 CVD新工艺和核电站相配套的大功率超声工程都是纳米陶瓷在压电方面的应用。

廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究6 第二章 压电陶瓷的发电方式

2.1压电振子介绍

2.1.1概述

由于压电陶瓷本身硬且脆，所产生的位移很小，因而一般不把压电陶瓷本身作为压电振子直接使用，通常是把压电陶瓷与某种弹性体连接在一起共同构成振动体，将这种振动体称为复合压电振子。

图2.1.1 压电振子基本结构

利用压电振子可以做成各种压电发电元件，这些压电器件一部分是工作在谐振态，也就是工作在某一频率点，使器件处于谐振状态。另一部分是工作在自由受迫振动状态，使压电振子工作在非共振区，利用其静态或动态变形进行工作。无论是工作在谐振状态还是工作在自由受迫振动状态，都要对压电振子的谐振性加以研究，从而根据不同的应用场合采用不同的工作方式，充分发挥各自特点。

2.1.2压电振子的振动模式

压电振子是压电发电装置的核心部件，起着将机械能转换为电能的作用，某一几何尺寸的振子在特定条件下，其用以完成机械能和电能相互转换的振动方式多种多样，通常把这种振动方式称为振动模态。此外，各种振动模态之间还存在着相互影响或耦合作用。因此在设计压电振子时，除了选择合适的陶瓷材料外，还要选择合适的振子及其振动模态，通常将激发压电陶瓷的振动分为以下四类，如图所示，（a）垂直于电场方向的伸缩振动（长度方向），用LE模表示；（b）廖火生 压电陶瓷悬臂板振动的参数化研究7 平行于电场方向的伸缩振动（厚度方向），用TE模表示；（c）垂直于电场平面内的剪切振动（表面），用FS模表示；（d）平行于电场平面内的剪切振动（厚度），用TS模表示。

图2.1.2 压电陶瓷振动分类

当这些振动模式作用到压电振子上时，将产生弯曲振动、伸缩振动和扭转振动。但对于压电发电选择合适的振动方式是非常关键的，通常情况下选取弯曲振动方式，因为弯曲振动下压电振子可产生最大的挠度，有利于压电发电。

2.1.3压电振子的支撑方式

压电振子的支撑方式（或边界条件）和结构尺寸是影响压电振子发电能力的另一重要因素。压电振子支撑方式（或边界条件）不同，其工作方式及能量输出特点将有较大差异。通常，压电振子有四种不同的边界条件。

图2.1.3 压电振子的支撑方式

（a）悬臂支撑：这种方式可产生最大的挠度，同时具有较低的谐振频率，矩形压电发电元件多采用此种方式。

（b）周边固定支撑：对于压电陶瓷晶片自身，其周边固定的机电耦合系数