功能转换材料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,13.功能转换材料,Function conversion materials,11/17/2024,1,13.功能转换材料Function conversion m,功能转换材料,利用能量转换效应制造具有特殊功能元器件的材料叫,功能转换材料,。该类材料能实现不同形式的能量转换，在,测量技术,、,传感器技术,中有广泛应用。,11/17/2024,2,功能转换材料 利用能量转换效应制造具有特殊功能元,13-1 压电材料,+,+,+,-,-,-,一、压电效应,某些电介质晶体在机械外力作用下发生形变时，,电极化强度,发生变化，因而在某些对应表面产生异号电荷。,这种没有电场作用而只由于形变使晶体电极化状态发生变化的现象叫做,压电效应,，即因形变产生的电效应。也称为,正压电效应,。,反之，如将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用也会引起晶体的极化。,正负电荷的重心位移将导致晶体形变，这种现象称为,逆压电效应,。如加交变电场，产生机械振动。,压电效应使机械能和电能发生转化。,11/17/2024,3,13-1 压,二、压电机制,1、非铁电晶体（如石英）,不受外力作用时，晶体内正负电荷中心重合，总电矩为0，晶体表面无电荷。当受到外力作用时，,晶格变形,，正负电荷中心不重合，出现电极化，,表面呈现束缚电荷,。,11/17/2024,4,二、压电机制1、非铁电晶体（如石英）不受外力作用时，,2、铁电晶体,当加电场后再撤去，铁电体有,剩余极化强度,，处于极化状态，在,表面上有异号极化电荷,。极化电荷,吸附空气中的自由电荷而中和,（空气中总存在微量正负离子和电子），铁电体不呈电性。当铁电体作机械变形时，极化强度（包括极化电荷）随之变化。导致,表面吸附的自由电荷随之而变,。变化着的自由电荷便从一个极移至另一极形成电流。从而实现机械能向电能转变即,压电效应,。,铁电晶体一定有压电效应，但有压电效应的晶体不一定是铁电体。,铁电体中有许多自发极化小区域，称为,电畴,。电畴取向混乱，总电矩为0。经电场处理后的铁电体可以成为压电材料。,电极,电极,反之，接入电源，电极上呈现,电压,，压电体就会,变形,（压缩或伸长）。加交变电源，压电体交替出现伸缩即发生振动。,11/17/2024,5,2、铁电晶体 当加电场后再撤去，铁电体有剩余极化强,三、压电材料工作参数,1、机械品质因数,当输入电信号时，压电晶片产生振动，会产生内耗（发热），造成机械能损耗。反映损耗程度的参数称为机械品质因数。,2、机电耦合系数,11/17/2024,6,三、压电材料工作参数1、机械品质因数 当输入电信,四、压电材料种类,1、非铁电压电晶体,石英（SiO,2,）、酒石酸钾钠（NaKC,4,H,6,4H,2,O)、锗酸铋（Bi,12,Ge,20,）等。,压电半导体CdS、ZnO、ZnS等。,2、铁电晶体（压电陶瓷）,钛酸钡（BaTiO,3,）、锆钛酸铅Pb（Zr,x,Ti,1-x,）O,3,即PZT、钛酸铅PbTiO,3,等。,11/17/2024,7,四、压电材料种类 1、非铁电压电晶体 石英（SiO2,3、压电聚合物,几乎所有聚合物都有压电性，但有实用价值的不多。,1940年，俄罗斯人发现木材压电性后，相继发现苎麻、丝竹、动物某些生物组织有压电性。1960年，人工合成了聚合物有压电性。,1969年，日本河合平司发现聚偏四氟乙烯（极化处理后）有强压电性，使压电聚合物逐步进入实用化。,与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄膜传感材料。,11/17/2024,8,3、压电聚合物 几乎所有聚合物都有压电性，但有实用价,一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉伸时，微晶取向随机，总极化强度为0。,拉伸时，晶粒有压电响应，不经极化也有压电性。称为,固有压电聚合物,。,如木材、丝竹、动物骨骼、肌肉、皮、头发等，在自然生长条件下，微晶粒已择优取向。,某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。,两类：,（1）固有压电性聚合物,11/17/2024,9,一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉,聚乙烯、聚丙烯等，分子中无极性基团，在电场中无偶极取向极化。这类材料本身无压电性。但由于材料在加工过程中存在,不对称杂质电荷,或由外界注入的,电荷在电场中不对称分布,而引起压电性。但压电常数低，重复性差，难于实用。,聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龙等是极性高分子。若在高温下用高直流电压使之极化，并在冷却后撤出电压，使极化状态冻结下来，就成为半永久性极化且有半永久性表面电荷的介质材料。称为,驻极体聚合物,。,PVDF驻极体有很强的压电效应，已实用化。,聚合物除PVDF等少数品种外，一般压电常数小，应用受限。而压电陶瓷质脆，不易加工。因此开发具有优良加工性能和高压电性的聚合物-陶瓷复合压电材料应用前景广泛。,（2）驻极体聚合物,11/17/2024,10,聚乙烯、聚丙烯等，分子中无极性基团，在电场中,2、高电压发生装置（机械能 电能）,压电点火器（打火机、煤气灶、汽车火花塞，高压使空气发生火花）,引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器等,3、电声设备,扬声器、话筒等,4、滤波器,各种无线电通讯和测量仪器（电能 机械能 电能）。压电振子对某些频率信号衰减大，而对另一些衰减小，从而滤波。,5、压电传感器,非电信号 电信号。力敏传感器、应变仪、血压计、压力计等。,五、压电材料的应用,1、水声、超声换能器,发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测。,11/17/2024,11,2、高电压发生装置（机械能 电能）压电,13-2 热释电材料,一、热释电效应,一些材料由于温度变化而引起电极化状态改变，在某些相对应表面产生异号电荷。该现象叫,热释电效应,。,其逆效应为,电生热效应,外加电场变化，引起材料温度变化。,最早在电气石晶体中发现热释电效应,重要应用,：热敏传感器（用作温度计、红外探测器等）,电介质,压电体,热释电,铁电体,11/17/2024,12,13-2 热释电材料一、热释电效应,电介质,压电体,热释电,铁电体,1、,热释电晶体前提是具有自发极化，但压电晶体不一定都有自发极化。,所以，,必须有自发极化,即晶体某些方向存在固有电矩。故,有对称中心的晶体无热释电效应,。,温度变化引起自发极化强度变化，而在晶体一定方向上产生表面电荷。,压电效应反映晶体电量与机械应力间的关系，机械应力有方向，引起正负电荷相对位移。,热释电效应中晶体电荷变化来自于温度变化。热膨胀各向同性。只有晶体存在着与其他极轴不同的唯一极化轴，才有可能发生热释电。,二、热释电机制与压电机制比较,2、,热释电晶体一定存在压电效应，但压电晶体不一定存在热释电效应。,11/17/2024,13,电介质压电体热释电铁电体 1、热释电晶体前提是具有自发,三、热释电材料,1、有自发极化的非铁电性晶体,如CaS、CuSe、ZnO、电气石等,2、有自发极化的铁电性晶体,LiNbO,3,（铌酸锂）、LiTaO,3,、PbTiO,3,、BaTiO,3,、PLZT透明铁电陶瓷。,3、聚合物材料,PVDF,4、铁电陶瓷-聚合物复合材料,如Pb（Zr，Ti）O,3,-硅橡胶复合物。,电介质,压电体,热释电,铁电体,应用,：,红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器（防火用）,11/17/2024,14,三、热释电材料 1、有自发极化的非铁电性晶体 如Ca,13-3 光电材料,一、光电效应,物质受光照后引起某些电学性质变化的现象叫,光电效应,，包括,光电导、光生伏特、光电子发射,三种。,1、光电导,物质（主要是半导体）受光照而电导率增加的现象。,原因,：半导体吸收光子引起载流子激发（载流子浓度变化）,11/17/2024,15,13-3 光电材料一、光电效应,（1）本征光电导,价电子从价带 导带，,出现一个自由电子和空穴，都参与导电。,（2）杂质光电导,附加载流子来自禁带中的杂质能级上的电子或空穴，从而改变导电率。,2、光生伏特,光照射下，半导体p-n结产生电势差的现象。,机理：,11/17/2024,16,（1）本征光电导价电子从价带 导带，出现一个自由电,n,p,n,p,载流子扩散，形成p-n结空间电荷区。自建电场从n p,阻止扩散，最后平衡。,自建电场作用：,（1）阻止：,n区电子向p区扩散；,（2）驱使：,p区空穴向n区扩散,n区空穴向p区扩散,p区电子向n区扩散；,势垒,n,p,当光照在p-n结附近，p-n结附近形成,电子空穴对,。光生电子和空穴扩散到势垒区，内建电场使：空穴扫向p区；电子扫向n区。,n,p,n,p,n,p,11/17/2024,17,npnp 载流子扩散，形成p-n结空间电荷区。自建电,n,p,n,p,n,p,则p区积累正电荷，n区积累负电荷，产生光生电动势。接通外电路，由p经外电路达到n区形成电流。,3、光电子发射（外光电效应）,金属（或半导体）受光照，电子吸收光子被激发，激发了的电子有足够能量越过表面势垒（逸出功）从表面离开（初动能），称为,光电子发射,。,11/17/2024,18,npnpnp 则p区积累正电荷，n区积累负电荷，产生光,1、光电导材料及应用,CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP,InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.,光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图像传感器。,2、结型光电二极管,（1）高速响应的光电探测器,对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在光电子，故有延迟光电流产生。,对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。,二、光电子材料及其应用,11/17/2024,19,1、光电导材料及应用 CdS,CdSe,CdTe,ZnS,空间电荷层产生的光生载流子在高电场（自建电场）中穿行距离不大于空间电荷层厚度。所以，对光响应快（实用中尽量使光生载流子产生于结区）。,用作高速响应光电探测器。,（2）光电池,也是p-n结二极管。,对太阳能电池，要研究Eg小的材料，以充分利用太阳光谱。,Eg在0.91.5eV内最好。Si是最理想材料。,还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓。,11/17/2024,20,空间电荷层产生的光生载流子在高电场（自建电场）中穿,3、光电子发射应用,光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电流反应入射光强度）,光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在工程、天文、军事上有重要应用。,电视摄像管。,11/17/2024,21,3、光电子发射应用 光电管是利用光电子发射（外光电,13-4 热电材料,一、热电效应（温差电效应）,用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合回路中有电流流过。该现象叫,温差电效应,或,热电效应,。回路中的电动势叫,温差电动势,。,1、塞贝克效应,两种不同材料A、B构成开路，接点保持不同温度，则回路产生电动势，称为,塞贝克效应,。,实质,：两接头处帕尔贴效应+两金属中汤姆逊效应,11/17/2024,22,13-4 热电材料一、热电效应（,2、帕尔贴效应,两种不同导体A、B构成回路，接电源。则一个接点吸热，另一个放热，该现象称为,帕尔贴效应,。（电流反向时，吸放热相反）。,原因：接头处有接触电势差（接触电动势）,帕尔贴电动势,。,两金属A、B接触，电子相互扩散。由于电子密度不同，交换电子数不同。,接头处非静电力，一个做正功，吸热；一个做负功，放热。,A到B的电子数多,11/17/2024,23,2、帕尔贴效应 两种不同导体A、B构成回路，接电源。则,接触处形成电荷层，产生电场，阻止扩散，达平衡，形成电势差即,帕尔贴电动势,。用 表示（与温度T有关）,两接触点温度不同，方向相反。,存在于两金属接触面上,11/17/2024,24,接触处形成电荷层，产生电场，阻止扩散，达平衡，形,原因,：棒ab存在电动势（汤姆