1、功能材料功能材料 一、概述一、概述 （一）功能材料的概念（一）功能材料的概念 功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其转化的功能，用以实现对信息和能量的感受、计测、和生物性能及其转化的功能，用以实现对信息和能量的感受、计测、显示控制和转化为主要的非结构性高新材料。显示控制和转化为主要的非结构性高新材料。（二）功能材料的特点（二）功能材料的特点 1.1.多功能化多功能化 如如NiTiNiTi合金，既具有形状记忆功能，又具有结构材料的超弹性合金，既具有形状记忆功能，又具有结构材料的超弹性性能。性能。2.2.材料形态的
2、多样性材料形态的多样性 同一成分的材料形态不同时，常会呈现不同的功能。如同一成分的材料形态不同时，常会呈现不同的功能。如AlAl2 2O O3 3陶瓷材料，拉成单晶时为人造宝石；烧结成多晶时常用作集成电路陶瓷材料，拉成单晶时为人造宝石；烧结成多晶时常用作集成电路基板材料、透光陶瓷等；多孔质化时是催化剂的良好载体与过滤材基板材料、透光陶瓷等；多孔质化时是催化剂的良好载体与过滤材料；纤维化时为良好的绝热保温材料。料；纤维化时为良好的绝热保温材料。3.3.材料与元件一体化材料与元件一体化 结构材料常以结构形式为最终产品，而功能材料则以元件形式结构材料常以结构形式为最终产品，而功能材料则以元件形式为最
3、终产品。为最终产品。4.4.制造与应用的高技术性，性能与质量的高精密性及高稳定性制造与应用的高技术性，性能与质量的高精密性及高稳定性 为了赋予材料与元件的特定性能，需要严格控制材料成分（如为了赋予材料与元件的特定性能，需要严格控制材料成分（如高纯度或超高纯度要求、微量元素或特种添加剂含量等）和内部结高纯度或超高纯度要求、微量元素或特种添加剂含量等）和内部结构及表面质量，这往往需进行特殊制备与处理工艺。构及表面质量，这往往需进行特殊制备与处理工艺。（三）功能材料的分类（三）功能材料的分类 当正向电场逐渐减小至0时，仍存在不为零的极化强度，称剩余极化强度Pr。同样，当反向电场逐渐减小至0时，也存在
4、不为零的剩余极化强度（-Pr）。一、铁电性的基本特征一、铁电性的基本特征 1、铁电材料在电极化中存在电滞回线形式的宏观特性 右图是单晶铁电体的电滞回线。电滞回线B-C线性部分反向外推至E0在纵轴P上的截距称为饱和极化强度Ps。当电场反向达到F时，剩余极化才全部消失。反向电场继续增大，极化强度才开始反向。EF常称为矫顽电场强度。2、晶体结构是非中心对称的.晶体的对称性决定着晶体的很多物理性质，在描述晶体对称性的32种点群中，有20种是非中心对称点群。在非中心对称点群晶体中可能出现一些特殊的物理性质。几种与晶体对称性相关的重要物理性质：A：对映体现象，B：旋光性，C：热释电效应 D：铁电效应，E：
5、压电效应，F：二次谐波倍频效应 3、晶胞具有大小相等的自发非零电偶极矩。如如钛酸钡晶体钛酸钡晶体 高温时为立方相，有对称中心，没有电偶极矩。当温度降低到120度时，TiO6八面体基团发生畸变，基团中的Ti沿4次轴相对O原子移动12pm，Ba也在同方向移动6pm，O原子也偏离了正八面体。此时晶体转变为四方晶系，没有对称中心，每个晶包就具有自发非零电偶极矩，晶体也就变成了铁电体。4、晶体中存在电畴形式的微结构 5、在外加电场下，晶体中的电矩可转变方向。6、存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当TTc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现线性关系，并且介电常数随温度的变
6、化服从居里-外斯定律：0/(),CC TTTT式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续相变，T0=Tc；对一级相变，T0Tc。二、铁电晶体的分类二、铁电晶体的分类迄今为止，已发现的具有铁电性的材料，就有一千多种，它们可以按不同方法进行分类。双氧化物铁电体：双氧化物铁电体：如BaTiO3（BaOTiO2）、KNbO3（K2O-Nb2O5）、LiNbO3（Li2ONb2O5）等，这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电体它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。1 按结晶化学分类：按结晶化学分类：根据铁电
7、晶体的化学成分和结构特征，可分为 含有氢键的铁电体：含有氢键的铁电体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电体；2按极化轴多少分类按极化轴多少分类 3、按在高温顺电相时有无对称中心分类、按在高温顺电相时有无对称中心分类 单轴铁电体：单轴铁电体：沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐（RS）、KDP等；多轴铁电体：多轴铁电体：沿几个晶轴方向极化的铁电晶体：BaTiO3、Cd2Nb2O7等。无对称中心：无对称中心：钽铌酸钾（KTN）和磷酸二氢钾（KDP）族的晶体。由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它
8、们都是具有压电效应的晶体；有对称中心：有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）以及与它们具有相同类型的晶体。4、按相转变的微观机构分类、按相转变的微观机构分类 有序一无序型转变的铁电体：有序一无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有序化相联系的有序一无序型铁电体包含有氢键的晶体，这类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系。如磷酸二氢钾（KDP）及其同型盐就是如此。位移型转变的铁电体：位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与一类离子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系。属于位移型铁电晶体的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面体结构的双氧化物；5按极化反转时原子位移
9、的维数分类（按极化反转时原子位移的维数分类（“维度模型维度模型”分类）分类）二维型：二维型：铁电体极性反转时，各原子的位移处于包含极轴的平面内，如NaNO2；一维型：一维型：铁电体极性反转时，其每一个原子的位移平行于极轴，如BaTiO3；三维型：三维型：铁电体极性反转时在所有三维方向具有大小相近的位移，如NaKC4H4O64H2O。第三类铁电体：第三类铁电体：C值大约在10K数量级。它们是非本征铁电体，其铁电性起因于压电性与弹性不稳定性的藕合，如Gd3(MoO4)2等。6、按居里、按居里-外斯常数的大小分类外斯常数的大小分类第二类铁电体：第二类铁电体：C值大约在103K数量级。它们的相变大多属
10、于有序-无序型，具有氢键或亚硝酸钠离子有关的分子基团。第一类铁电体：第一类铁电体：C值大约在105K数量级。它们的相变大多属于位移型，以双氧化物居多。有一物类体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。这类晶体叫反铁电体。四、反铁电体四、反铁电体 反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其PE呈双电滞回线。如锆酸铅（bZr）反铁电体，在较小时，无电滞回线，当很大时，出现了双电滞回线（如图）。反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特性。1、传统传统电电存储器的问题：存储器的问题：存储器有两大类：易失存储器（volatil
11、e memory）和非易失存储器（non-volatile memory）。五、铁电性的主要应用：铁电存储五、铁电性的主要应用：铁电存储非易失性存储器非易失性存储器（如EPROM、E2ROM和Flash）能在断电后保存数据不变，但由于所有这些存储器均起源只读存储器（ROM）技术，因此它们都有写入速度慢，写入次数有限和使用时功耗大等缺点。易失性存储器易失性存储器（如SRAM和DRAM存储器）在没有电源的情况下都不能保存数据，但这种存储器拥有高性能，存取速度快和很高的写入次数，易用等优点。2、传统传统RAM的情况：的情况：多为MOS型半导体电路，分为动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SR
12、AM）两种。RAM还应用于显卡、声卡及CMOS等设备中，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。SRAM是靠双稳态触发器来记忆信息的，它常用于各种高速缓冲存储器（Cache）。DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给与补充，所以动态RAM需要设置刷新电路。但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM。3、传统非易失性存储技术：、传统非易失性存储技术：如如EEPROM和和Flash EPROM，都是基于电荷存储技术原理来存储数据。这些存储器都是迫使电子通过半导体薄层，利用捕获的电子来表示数据状态
13、。数据状态由是否能捕获到足够的电子来决定。这些电子的运动最终要引起半导体薄层的击穿，所以对大多数这样的产品来说，其可以擦除/重写的次数都不大于一百万次，指标一般只有1万-10万次。在实际使用中，由于各种不同的原因，往往真正能可靠重写入的次数还要比这少很多。4、铁电存储器铁电存储器 基本原理是基本原理是基于电滞回线的基于电滞回线的极化反转和剩余极化特性。极化反转和剩余极化特性。铁电存储器的主要形式有铁电存储器的主要形式有 铁电随机存取存储器铁电随机存取存储器(FRAM)：直接利用铁电薄膜的极化反转，以薄膜的Pr状态分别代表二进制的“0”和“1”。铁电动态随机存取存储器（铁电动态随机存取存储器（F
14、DRAM）：）：DRAM是基于电荷积累的半导体存储器，在FDRAM中，利用超小型铁电薄膜电容器的高电容率使存储量大幅度提高。铁电场效应晶体管铁电场效应晶体管(FFET)：在FFET中，铁电薄膜作为源极和漏极之间的栅极，其极化状态Pr会改变源漏极之间的电流，可由该电流读出所存储的信息。由于FRAM的铁电材料本身就有固有的双稳特性，它并不需要用击穿的方法强迫电子通过半导体薄层，所以其擦除擦除/重写的次数比重写的次数比EEPROM和和Flash memory高得多，可达高得多，可达1014-1016次。次。FRAM无限次无限次快速擦写和非易性快速擦写和非易性的特点，令它的系统工的特点，令它的系统工程
15、师可以把现在在电路上分离的程师可以把现在在电路上分离的SRAM和和E2ROM两种存储器两种存储器整合到一个整合到一个FRAM里，里，为整个系统节省了功耗，降低了成本，为整个系统节省了功耗，降低了成本，减小了体积，同时增加了整个系统的可靠性减小了体积，同时增加了整个系统的可靠性。铁电存储器的应用铁电存储器的应用 典型应用包括：仪器仪表、工业控制、家用电器、复印机、典型应用包括：仪器仪表、工业控制、家用电器、复印机、打印机、机顶盒、网络设备、游戏机、计算机等等。打印机、机顶盒、网络设备、游戏机、计算机等等。铁电存储器的优点：铁电存储器的优点：同时拥有随机存储器（RAM）和非易失性存储器（EPROM
16、、E2ROM、FLash）的特性。FRAM的发展计划的发展计划 年201920192019201920192019201920192019技术130nm115nm100nm90nm80nm70nm65nm45nm32nm通用存储器(位)1M4M16M64M64M128M256M1G2G混合存储器(字节)32K128K512K2M2M4M8M32M128M存取时间(ns)80655540303020108单元尺寸(m154.91.50.5180.3240.3240.1690.080.039工作电压(V)332.51.81.51.51.210.7读写次数（以10的方次表示）12131415 161
17、6以上16以上16以上16以上铁电薄膜材料PZT.SBT/PZT,SBT,BLT,等铁电薄膜材料形成法PVD,CSD/PVD,CSDMOCVD,等六、关于铁电性的研究动态六、关于铁电性的研究动态 1、一些正在研究的问题：、一些正在研究的问题：最佳材料组份。最佳材料组份。最佳制膜技术。最佳制膜技术。铁电薄膜与半导体的集成技术。铁电薄膜与半导体的集成技术。疲劳机制和改进方法。疲劳机制和改进方法。极化反转的微观过程及其控制。极化反转的微观过程及其控制。电极材料的选用和电极制备方法。电极材料的选用和电极制备方法。界面（包括膜与基底或过渡层、膜与电极间的界面以及晶界面（包括膜与基底或过渡层、膜与电极间的
18、界面以及晶粒间界）的影响。粒间界）的影响。微结构的控制。微结构的控制。空间电荷和电荷运输。空间电荷和电荷运输。最佳厚度和最佳晶粒尺寸。最佳厚度和最佳晶粒尺寸。2、铁电薄膜材料处在多元化发展方向、铁电薄膜材料处在多元化发展方向。开始开发和应用的是钙钛矿型铁电薄膜，如开始开发和应用的是钙钛矿型铁电薄膜，如PbTiO3,-PTPb(Ti,Zr)O3，-PTZ(Pb,La)(Zr,Ti)O3-PLZT但它们存在结构复杂，组分不易控制，疲劳特性差等弱点。但它们存在结构复杂，组分不易控制，疲劳特性差等弱点。新发展出来的一些其他类型的铁电材料新发展出来的一些其他类型的铁电材料，如，如(Ba,Sr)TiO3-
19、BST,SrBi2Ta2O9-SBT,Bi4Ti3O12-BTO,PbScTaO3-PST,KNbO3-KNO,Ba2LiNb5O15-BLN,KTaNbO(KTN尤其是尤其是BST和和SBT在介电特性，疲劳特性等方面优于在介电特性，疲劳特性等方面优于PLZT系列材料，可广泛用于系列材料，可广泛用于FRAM，电容器，红外探测器等。，电容器，红外探测器等。3、有关铁电薄膜的制备技术、表征方法和成膜机制、有关铁电薄膜的制备技术、表征方法和成膜机制的研究的研究在不断发展。在不断发展。4、铁电薄膜的诸种应用，最终离不开电信号的检测、铁电薄膜的诸种应用，最终离不开电信号的检测与控制，因而与控制，因而制备
20、良好的电极体系和在其上面制备制备良好的电极体系和在其上面制备优良的铁电薄膜是铁电薄膜走向应用的关键技术基优良的铁电薄膜是铁电薄膜走向应用的关键技术基础。础。选择电极体系主要是考虑如何有效的防止铁电薄膜选择电极体系主要是考虑如何有效的防止铁电薄膜与衬底之间的相互扩散，解决电极与铁电薄膜的晶与衬底之间的相互扩散，解决电极与铁电薄膜的晶格匹配、欧姆接触问题；防止氧扩散、铁电薄膜与格匹配、欧姆接触问题；防止氧扩散、铁电薄膜与电极应不互相反应等。电极应不互相反应等。一、压电效应一、压电效应 1880年J.居里和P.居里兄弟在石英晶体上首次发现正压电效应。居里兄弟发现压电效应后的第二年（即1881年），李
21、普曼（Lippmann）依据热力学方法，推知应有逆压电效应存在，几个月后，居里兄弟从实验上验证了这一点。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。1、正压电效应、正压电效应对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其两端对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；如表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；如施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围内施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围内电荷密度与作用力大小成正比。下面的图清楚地表电荷密度与作用力大小成正比。下面的图清楚地表明了这一点。明了这一点。2、逆压电效应、逆压电效应在一定方向的电场作用下，具有压
22、电效应的晶体材在一定方向的电场作用下，具有压电效应的晶体材料会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变料会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。这种现象称为与电场强度成正比。这种现象称为逆压电效应。逆压电效应。二、压电性与晶体结构的关系：二、压电性与晶体结构的关系：晶体的压电性是与晶体的结构对称性决定的，具有对称中心的晶体不可能具有压电性。在32种点群中，只有20种点群的晶体可能具有压电性。压电陶瓷材料的典型结构压电陶瓷材料的典型结构:1、钙钛矿结构：、钙钛矿结构：具有钙钛矿结构的铁电，压电陶瓷属于ABO3型氧八面体，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金属。半径较
23、大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角，体心和面心。如图所示。这种结构也可看成是一组BO6八面体按简立方图样排列而成，A正离子占据氧八面体之间的空隙，钙钛矿原胞是立方的，也可畸变成具有三角和四方对称性。钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅和KxNa1-xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构 钛酸钡钛酸钡：由于它的机电耦合系数较高，化学性质稳：由于它的机电耦合系数较高，化学性质稳定，有较大的工作温度范围因而应用广泛。早在定，有较大的工作温度范围因而应用广泛。早在40年代末已在拾音器、换能器、滤波器等方面得到应年代末已在拾音器、换能器、滤波器等方面得到应用。用。锆酸铅锆酸铅：为反铁电体
24、，具有双电滞回线。居里温度：为反铁电体，具有双电滞回线。居里温度230，居里点以下为斜方晶系。，居里点以下为斜方晶系。PbTiO3和和PbZrO3的固溶体陶瓷具有优良的压电性能。的固溶体陶瓷具有优良的压电性能。钛酸铅钛酸铅：结构与钛酸钡相类似，其居里温度为：结构与钛酸钡相类似，其居里温度为495，居里温度下为四方晶系，其压电性能较低。纯钛酸居里温度下为四方晶系，其压电性能较低。纯钛酸铅陶瓷很难烧结，当冷却通过居里点时，就会碎裂铅陶瓷很难烧结，当冷却通过居里点时，就会碎裂成为粉末，因此目前测量只能用不纯的样品。少量成为粉末，因此目前测量只能用不纯的样品。少量添加物可抑制开裂，例如含添加物可抑制开
25、裂，例如含Nb+54（原子）的材料，（原子）的材料，d33可达可达4010-12CN。锆钛酸铅锆钛酸铅（PZT）：为二元系压电陶瓷，）：为二元系压电陶瓷，Pb（Ti，Zr）O3压电陶瓷在四方晶相（富钛边）和菱形晶相压电陶瓷在四方晶相（富钛边）和菱形晶相（富锆一边）的相界附近，其耦合系数和介电常数（富锆一边）的相界附近，其耦合系数和介电常数是最高的。这是因为在相界附近极化时更容易重新是最高的。这是因为在相界附近极化时更容易重新取向。相界大约在取向。相界大约在Pb（Ti0.465，Zr0.535）O3的地方，的地方，其机电耦合系数其机电耦合系数k33可到可到0.6，d33可到可到20010-12C
26、N。在在PZT中添加某些元素，可达到改性的目的，比如添加物中添加某些元素，可达到改性的目的，比如添加物La，Nd，Bi，Nb等，属等，属“软性软性”添加物，可使陶瓷弹性柔顺常数添加物，可使陶瓷弹性柔顺常数增高，矫顽场降低入，增大；添加物增高，矫顽场降低入，增大；添加物Fe，Co，Mn，Ni等等“硬性硬性”添加物，可使陶瓷性能向添加物，可使陶瓷性能向“硬硬”的方面变化，即矫的方面变化，即矫顽场增大，顽场增大，kp下降，同时介质损耗降低。下降，同时介质损耗降低。为了进一步改性，在为了进一步改性，在PZT陶瓷中掺入铌镁酸铅制成三元系压陶瓷中掺入铌镁酸铅制成三元系压电陶瓷（简称电陶瓷（简称PCM），具
27、有可以广泛调节压电性能的特点。），具有可以广泛调节压电性能的特点。2、钨青铜结构、钨青铜结构具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10个个BO6八面八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。体，它们由其顶角按一定方式联结而成。偏铌酸铅偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。3、铋层状结构、铋层状结构铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与Bi2O12层交替叠成的。其中类钙钛矿层可以是一层交替叠
28、成的。其中类钙钛矿层可以是一层层如如Bi2WO6,二层二层如如PbBi2Nb3O9，三层，三层如如Bi4Ti8O12以至五层。在类钙钛矿层中，其正离子以至五层。在类钙钛矿层中，其正离子可被许多离子取代。可被许多离子取代。4、焦绿石结构、焦绿石结构焦绿石结构是由共同顶角的焦绿石结构是由共同顶角的NbO6或或TaO6氧八面体氧八面体组成，而较大的组成，而较大的Cd2+或或Pb2+离子位于氧八面体之离子位于氧八面体之间 的 间 隙 中。这 种 结 构 的 铁 电 体 仅 出 现 在间 的 间 隙 中。这 种 结 构 的 铁 电 体 仅 出 现 在Cd2Nb2O2,Pb2Nb2O2和和Cd2Ta2O7
29、等有限几种化合等有限几种化合物中。物中。压电陶瓷的预极化压电陶瓷的预极化:自然界中虽然具有压电效应的压电晶体很多，但是成为陶瓷材料以后，往往不呈现出压电性能，这是因为陶瓷是一种多晶体，由于其中各细小晶体的紊乱取向，因而各晶粒间压电效应会互相抵消，宏观不呈现压电效应。铁电陶瓷中虽存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向杂乱，因此宏观无极性。若将铁电陶瓷预先经强直流电场作用，使各晶粒的自发极化方向都择优取向成为有规则的排列（这一过程称为人工极化），当直流电场去除后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度，则陶瓷材料宏观具有极性，也就具有了压电性能。因此铁电陶瓷经过预先极化处理，就会具有压电性。影响极化效果的
30、因素：影响极化效果的因素：极化电场，极化温度，极化极化电场，极化温度，极化时间时间 极化电场极化电场是极化诸条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。以锆钛酸铅为例，在四方相区，其矫顽场随锆钛比的减小而变大。在极化电场和时间一定的条件下，极化温度极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。常用压电陶瓷材料的极化温度通常取320一420K。极化时间长极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。极化初期主要是180电畴的反转，以后的变化是90电畴的转向。90电畴转向由于内应力的阻碍而较难进行，因而适当延长极化时间，可提高极化程度，一般极化时间从几分钟到几十分钟。用
31、于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等；用于水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等；用于雷达中的陶瓷表面波器件；用于导航中的压电加速度计和压电陀螺等；用于通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；用于精密测量中的陶瓷压力计、压电流量计、压电厚度计等；用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器；用于超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器；用于高压电源的陶瓷变压器。压电材料的应用：压电材料的应用：压电驱动器压电驱动器当把电能输入到压电驱动器时，可由材料直接转变当把电能输入到压电驱动器时，可由材料直接转变为位移或其它机械能形式。自然，驱动器的材料还为位移或其它机械能形式。自然，驱动器的材料还包括磁致伸
32、缩材料，光致伸缩材料以及形状记忆合包括磁致伸缩材料，光致伸缩材料以及形状记忆合金等。但是由于压电陶瓷和铁电材料作用力大，响金等。但是由于压电陶瓷和铁电材料作用力大，响应快，频率范围广等多项优点而广泛应用于精确定应快，频率范围广等多项优点而广泛应用于精确定位系统。位系统。利用铁电陶瓷材料制造各种驱动器是近利用铁电陶瓷材料制造各种驱动器是近10多年发多年发展较快的领域。压电展较快的领域。压电/电致伸缩陶瓷已经用在几个新电致伸缩陶瓷已经用在几个新型器件上，例如，点型器件上，例如，点触针式打印机，自动聚焦相触针式打印机，自动聚焦相机和高分辨机和高分辨CCD成像传感器等。成像传感器等。阻尼、降噪应用：阻
33、尼、降噪应用：阻尼和降噪的途径主要有二种：阻尼和降噪的途径主要有二种：一是选用粘弹性材料；另一是利用减振器。压电陶一是选用粘弹性材料；另一是利用减振器。压电陶瓷在纵向和剪切载荷时损耗因子可高达瓷在纵向和剪切载荷时损耗因子可高达42.5%，横，横向时可达向时可达8%，这种高损耗因子和高刚度（，这种高损耗因子和高刚度（E=63Gpa）以及温度稳定性的结合，可以将压电陶瓷视为一种以及温度稳定性的结合，可以将压电陶瓷视为一种粘弹性材料。把它贴在结构上且并联一无源电路可粘弹性材料。把它贴在结构上且并联一无源电路可以实现结构减振。这是一种被动式阻尼减振。目前，以实现结构减振。这是一种被动式阻尼减振。目前，
34、更多的研究集中在主动控制，即利用压电陶瓷传感更多的研究集中在主动控制，即利用压电陶瓷传感器和驱动作用的结合，实现压电陶瓷的动态柔度系器和驱动作用的结合，实现压电陶瓷的动态柔度系数数g33可调。利用这种刚度的自适应，便可控制结构可调。利用这种刚度的自适应，便可控制结构的振动。的振动。压电陶瓷微位移器：压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态移动器，它能直接将电能转换成动能（机械位移）。压电陶瓷微位移器应用范围很广，大多数应用在高技术领域，如激光腔调谐，光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影，摄像器材快门控制，光纤熔接机等。微位移器使用过程的优点为：1
35、、位移控制精度高，电源精度1%时，分辨率可达纳米级。比如10530mm的微位移器工作电压在0200VDC范围内，最大位移量为20um，推力100N，拉力10N,工作温度，-20-85。压电点火材料压电点火材料在打火机、点火器、自动煤气灶等民在打火机、点火器、自动煤气灶等民用消费类产品上的应用极为普遍。点火元件要求在用消费类产品上的应用极为普遍。点火元件要求在承受一定的压力下能放出较长的火花，并在至少一承受一定的压力下能放出较长的火花，并在至少一万次力的作用下不降低其发火能力，这就意味着在万次力的作用下不降低其发火能力，这就意味着在产品设计一定的情况下，压电材料的综合参数就对产品设计一定的情况下
36、，压电材料的综合参数就对点火元件的着火力起一定的作用，压电点火材料受点火元件的着火力起一定的作用，压电点火材料受力后产生的电压与其压电系数和介电系数有关。压力后产生的电压与其压电系数和介电系数有关。压电电荷系数电电荷系数d33愈大，受力后产生的电压愈大、电火愈大，受力后产生的电压愈大、电火花也会愈长。但一般压电材料在提高其花也会愈长。但一般压电材料在提高其d33的同时，的同时，常常会带来常常会带来33的增大、的增大、Qm降低，压电元件就不能降低，压电元件就不能在承受多次力的作用后保持其发火力。在承受多次力的作用后保持其发火力。33太高，太高，就要降低压电电压。因而，如何使制备出的压电点就要降低
37、压电电压。因而，如何使制备出的压电点火材料能具有适中的火材料能具有适中的d33、33和和Qm是关键。是关键。在飞行器中的应用 飞行器在使用过程中出现疲劳裂纹往往造成灾难性结果。Virginia Tech的研究者把压电陶瓷驱动器放在已知应变集中的位置上，实验结果发现，驱动器可以抵抗来自附近的应变，从而把疲劳寿命延长一个数量级。实践证明，压电陶瓷诱发应变驱动器能够主动减少来自横向裂纹，邻近的孔和缺口等机械损伤或工程造成的应变集中，延长疲劳寿命。在气动弹性力学中的应用 颤振是困扰空气力学专家的难题。颤振使飞行器的性能受到影响，特别是对于具有双垂尾的飞行器，颤振还可引起疲劳损坯，为此要经常进行裂纹检验
38、，因而极大提高飞行成本。为解决颤振问题，美国NASA Langley研究中心采用主动控制压电陶瓷驱动器，以F-18飞机1/6尺寸的模型在跨音风洞中进行了吹风试验。结果发现，在高达37攻角条件下，垂尾的第一弯曲模频率的根部应变功率谱密度减少60%;根部应变的均方根减少19%，而且驱动器使用的电压只有2.4V（最高为10V）。实验结果证实这条途径的可行性，为此美国已决定进行整机试验。除了颤振以外，压电陶瓷主动控制驱动器系统在控制坦克炮塔振动方面也有报道，具体应用示意见如图我学者发现我学者发现4040倍于普通压电效应的铁电材料倍于普通压电效应的铁电材料 西安交通大学多学科材料研究中心主任、金属材料强
39、度国家重点实验室长江学者讲座教授任晓兵任晓兵博士，通过多年研究，发现了基于全新原理的巨大电致变形效应，同时研究开发出对环境无污染的无铅压电材料。这种效应是普通压电效应的40倍，能使电致应变效应提高一个数量级以上，国际学术界和业界人士认为这种效应是铁电材料领域的重大突破，有可能引发其实际应用的革命。任晓兵这一重大研发成果已于2月2日在国际权威英文杂志自然材料分册（Nature Materials）上发表。值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料是对环境无害的钛酸钡基材料，这一重大发现为开发对环境无害的高性能电致应变材料提供了重要新途径。热释电效应是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。它由于
40、晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移，从而导致致晶体的总电矩发生改变，与压电效应相类似，具有对称中心的晶体不会具有热释电效应。晶体在均匀受热时的膨胀（或均匀冷却时的收缩）是在各个方向上同时发生的，并且在相互对称的方向上必定具有相等的线膨胀系数值，换句话说，在这些方向上所引起的正负电荷重心的相对位移也都是相等的。在32个晶体点群对称性中，有l0种点群的晶体属于非中心对称的晶体，它们都具有热释电效应。热释电效应最早在电气石化学式为（Na，Ca）(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31晶体中发现，后来又发现了其它许多热释电晶体（Pyroelectric crystal），其中比较重要的如钛酸钡、硫酸三甘酞、一水合硫酸锂、亚硝酸钠、铌酸锂以及钽酸锂等。热释电体主要应用于红外探测技术领域。近年来，由于热释电晶体材料研究的发展，其在红外探测方面开始表现出高灵敏、快响应、宽光谱等优点，从而推动了热释电器件的研制。
