论文总字数：20932字

摘 要

本文介绍了压电效应的原理，以及压电陶瓷的产生与当前的研究进展。并且对压电陶瓷的应用与发展现状和前景进行了介绍。本文还梅列出当前比较成熟的压电陶瓷的发电方式，并且分析了其原理。最后选取悬臂梁式发电方式并且对其分析。通过ansys有限元分析软件进行模型建立，对悬臂板上布置的压电陶瓷以及基板的尺寸进行参数化研究，分析压电陶瓷的数量、厚度、排列方式等参数以及基板尺寸变化对输出应变大小的影响，最终得出最优合理的设计方案。

关键词：压电效应 压电陶瓷 参数化研究 有限元分析软件

Parameterization Study of The Piezoelectric Ceramics

Abstract

This article described the theory of The Piezoelectric Effect and how the Piezoelectric Ceramics invented and its current investigative progress。This paper introduced the applications of The Piezoelectric Ceramic and its development status.This article also lists the current relatively mature plum power generation of The piezoelectric ceramics, and analyzed they principles。Finally，we selected a power generation model using the piezoelectric ceramics and analyzed its principle。This article established several models and analyzed Substrate size through Using the Finite Element Analysis Software and analyzed the influence of the number of parameters, thickness of the piezoelectric ceramics, the arrangement and substrate size on the strain output size, and finally received a reasonable design scheme.

Key Words: the Piezoelectric effect ;The Piezoelectric Ceramics;Parametric study;

Finite Element Analysis Software

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1压电陶瓷概述 1

1.1.1压电效应 1

1.1.2压电陶瓷的诞生与发展 2

1.2压电材料的应用 2

1.3压电陶瓷的发展现状和趋势 4

1.3.1压电陶瓷的发展现状 4

1.3.2压电陶瓷的发展趋势 5

1.4无铅压电陶瓷的研究现状与发展趋势 7

1.5本文后续章节安排 8

第二章 压电陶瓷的发电方式 9

2.1压电振子介绍 9

2.1.1 压电振子基本结构 9

2.1.2压电振子的振动模式 10

2.1.3压电振子的支撑方式 11

2.2压电陶瓷发电方式 12

2.3研究内容和方法 15

2.3.1 课题的研究内容 15

2.3.2 研究方法 15

第三章 压电陶瓷片的参数化研究 17

3.1电陶瓷片粘贴位置的确定 17

3.2压电陶瓷片数量的确定 18

3.2.1模型的建立 18

3.2.2 对建立的模型进行分网 20

3.2.3 对分网后的模型进行模态分析 21

3.2.4对模型进行瞬态分析 22

3.3压电陶瓷片厚度值的确定 25

3.4压电陶瓷片长度值的确定 29

3.5压电陶瓷片宽度值的确定 32

3.6压电陶瓷片最终尺寸的确定 32

3.7基板的参数化研究 33

3.7.1基板长度值的确定 33

3.7.2基板厚度值的确定 37

3.7.2基板宽度值的确定 40

3.8研究总结 44

第四章 研究成果及展望 45

4.1 研究结果 45

4.2研究展望 45

参考文献 47

致 谢 49

第一章 绪论

1.1压电陶瓷概述

1.1.1压电效应

压电现象：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。压电现象主要发现在晶体分子排列不对称的材料上。其名称是由压力和电机两个含义来构成的，意味着两个因素之间的效应。一般来说，若向压电晶体施加压力，在晶体的某些表面上便产生电荷，称之为压电效应，也称正压电效应，如图1.1(a）所示。

图1.1（a） 正压电效应示意图

反过来，因它内部正负电荷中心位移，产生变形振动，这种效应称为逆压电效应，如图1.2（b）所示。

图1.2（b） 逆压电效应示意图

1.1.2压电陶瓷的诞生与发展

压电陶瓷指拥有压电效应性能的陶瓷。1946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。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅－锆酸铅二元系及在二元系中添加第三种(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物。

钛酸钡（）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，即压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好,它的机械品质因数大概是钛酸钡（）陶瓷的两倍。此外，若在PZT的组成中加入后可以构成三元系压电陶瓷，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。

由于PZT主要组成成分是氧化铅，氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在其生产、使用及废弃时都会对人类及环境造成危害，因此近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。 无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。

迄今为止，可以被实际应用的无铅压电陶瓷有以下5种，无铅压电陶瓷，无铅压电陶瓷，铋层状结构压电陶瓷，钨青铜结构无铅压电陶瓷，无铅压电陶瓷。

1.2压电材料的应用

自 1946年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来，它作为压电陶瓷的实际应用产品，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。其应用可以大致分为以下四类：

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