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纳米压电纤维的制备及其性能研究文献综述

 2020-05-20 20:09:11  

1纳米压电纤维概述

随着高新技术发展,微/纳米级压电材料作为一种新型微型智能材料,成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域,智能材料是一类具有传感、驱动和控制功能于一体的材料系统,它具有类生物的功能,通过自身的感知和驱动属性,实现材料的驱动功能与智能化;通过感知和响应内外界环境的变化,达到自适应的目的。[1]

压电晶体中,正负离子排列的不对称和晶胞正负电荷重心的不重合形成电偶极矩,这些电偶极矩在某些区域内方向一致成为电畴结构。电畴在晶体上杂乱分布,其极化效应相互抵消,材料内极化强度为零,被直流电场极化后的电畴极化方向趋于同一方向,当外力作用到压电材料上引起变形,材料内部正负束缚电荷的间距变小,极化强度也变小,原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放,出现放电现象,称为正压电效应。在压电材料两极加一定强度电场,片内的正负电荷间距变大,极化强度也变大,电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象,电荷在电路中移动可对外输出机械能,称为逆压电效应。[2]

一般具有钙钛矿、钨青铜、铋层状等结构的材料能产生压电效应,这些材料的形状一般呈粉体、纤维状、薄膜或块状,按组成组元分为压电单晶、压电陶瓷(压电多晶)、压电聚合物、复合压电材料等。目前压电材料研究的热点主要集中在弛豫型单晶(如PMN-PT)、多元体系复合料(如PZT-PVDF、PLN-PMN-PZT、PLN-PMN-PZT)以及高居里温度压电材料(如BiScO3-PbTiO3、(1-x)LiNbO3-x(Na,K)(NbyTa1-y))、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷材料(如钛酸铋钠)等方面[34]

新材料的发展趋势是:复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。[5]

2 BaTiO3概述

BaTiO3是最早发现的压电陶瓷,1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理,获得了压电陶瓷的压电性。随后,美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究,这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。1949年日本研究利用它的压电性设计鱼群探测器。[5]

BaTiO3是一种具有钙钛矿结构(ABO3)的新型功能材料,它被广泛应用于电容器、PTC元件、压电换能器等电子元器件的制造。BaTiO3的结构随着温度的变化也有多种结构相变。在120 oC时,立方结构将变为四方结构;在0 oC时,则是四方结构变为斜方结构;在-90 oC时,斜方结构将变为菱方结构[6]。它同其它的一些钙钛矿型复合氧化物一样,具有良好的热稳定性、化学稳定性和结构稳定性,多年来BaTiO3的研究主要集中在铁电材料、压电陶瓷材料等领域。

[7]

2.1 BaTiO3的性能特性

在钛酸钡的众多性能中,最重要的同时也是研究得最多的性能是它的电学性能,主要包括铁电性、介电性、压电性、正温度系数(PTC)效应等几方面。

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