4.5_压电性(材料物理性能)
五、材料的压电性能
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(2) 压电陶瓷
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(2) 压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理的 压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为 正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将 会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影向增强，而使表面的自由电荷过剩出现放 电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
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第五部分、材料的压电性能
授课：付鹏 QQ:54085222 E-mail: fupeng@
第五部分 压电与铁电性能
压电性能；热释电性；铁电性能。
1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先发现压电效应； 1920年，Valasek发现铁电体； 40年代中期，压电材料开始广泛应用。 60-70年代达成熟阶段。
谐振线度尺寸与频率的关系：L= n（ u/ f r ） / 2
n=1, 频率为基频，其它为二、三次等泛频，当发生谐振
时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大)的
频率f m附近，此频率为最小阻抗频率。频率继续增大， 阻抗达到一个极大值，相应的频率f n叫做反谐振频率。
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压电振子的阻抗频率变化
13 E1 23 E2 33 E3
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z
(D 3 ) T3
T6
T5 (D2)
y
T4 T2
压电材料的性质及应用
压电材料的性质及应用压电材料是指能够将机械能转化为电能或将电能转换为机械能的特殊材料。
这种材料通常具有独特的性质，使其在一些特殊的应用领域中非常有用。
本文将探讨压电材料的性质及其应用。
一、压电效应压电效应是压电材料的一种特殊性质，也是压电技术应用的基础。
当一个压电材料受到机械应力或力矩时，会产生电荷分离现象。
这种电荷分离现象导致了一个内部电场，从而产生一个电势差。
因此，压电材料不仅能够将机械能转化为电能，也能将电能转化为机械能。
二、压电材料的性质除了压电效应，压电材料还具有一些其他的特殊性质。
首先，压电材料具有高度的机械弹性。
这种弹性可以使其在机械特性较重要的应用中得到广泛应用。
其次，压电材料具有高度的热稳定性。
在高温环境下依然具有良好的机械和电学性质。
因此，它们可以被用作在高温环境下工作的传感器和执行机构。
最后，压电材料具有极佳的化学稳定性。
这种化学稳定性使其能够在各种酸、碱、盐和其他化学物质中得到良好的表现。
因此，它们被用于各种化学领域中。
三、压电材料的应用由于其独特的性质，压电材料在各种领域中得到广泛应用。
以下是压电材料在不同领域中的应用。
1. 声波、超声波技术声波和超声波技术是压电材料最广泛使用的领域之一。
压电材料被用于制造超声波传感器和发生器，用于激发和检测超声波。
这种技术被用于医疗、通讯、极限环境探测和材料测试等领域。
2. 动力学测量另一个压电材料应用领域是动力学测量。
它们被用于制造高精度加速度计和陀螺仪，用于航空航天、武器制造和石油勘探等领域中。
3. 机械控制压电材料也被用于机械控制领域。
它们被用于制造高精度调节器、精密运动平台和精密泵等设备。
这些设备被广泛用于先进制造领域。
4. 军事技术许多压电材料应用于军事领域。
例如，它们被用于制造声呐、水下挖掘机和远程探测设备等。
在军事领域中，它们经常被用来检测并调节雷达的效能和朝向。
5. 能源技术压电材料也可以用于能源领域。
它们被用来制造压电发电机，将机械能转化为电能并将其输送到电网中。
材料物理性能期末复习重点-田莳
1.微观粒子的波粒二象性在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。
这种量子行为称为波粒二象性。
2.波函数及其物理意义微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。
此函数称波函数。
其模的平方代表粒子在该处出现的概率。
表示t时刻、（x、y、z）处、单位体积内发现粒子的几率。
3.自由电子的能级密度能级密度即状态密度。
dN为E到E+dE范围内总的状态数。
代表单位能量范围内所能容纳的电子数。
4.费米能级在0K时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。
故费米能是0K时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。
5.晶体能带理论假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。
用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。
6.导体，绝缘体，半导体的能带结构根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。
从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。
在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带Eg，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。
半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(Eg小)，电子跃迁比较容易1.电导率是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。
当施加电压于导体的两端时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。
电导率是以欧姆定律定义为电流密度和电场强度的比率：κ=1/ρ2.金属—电阻率与温度的关系金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是金属产生电阻的根本原因。
材料物理性能考试总结
第一章固体中电子能量和状态1.1电子的粒子性和波动性1.霍尔效应取一金属导体，放在与它通过电流相垂直的磁场内，则在横跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的电场，此现象称为霍尔效应。
2.德布罗意假设一个能量为E，动量为P的粒子，同时也具有波性，其波长λ由动量P决定，频率ν由能量E确定：λ=h/P=h/(mv); ν=E/h;式中：m为粒子质量；v为自由粒子的运动速度,由上式求得的波长，称为德布罗意波长。
3.其中，d=2.15*10-10m，θ=50°E=54eV;由λ=dsinθ得，λ=2.15*10-10m*sin50°=1.65*10-10m电子质量m=9.1*10-31kg，电子能量E=54eV，则由λ=h/p得λ=h/(2mE)1/2=[6.6*10-34/(3.97*10-24)]m=1.66*10-10m比较两个结果基本一致，说明德布罗意波假设的正确性。
1.2金属的费米——索末菲电子理论金属的费米索末菲电子理论同意经典的电子学说，认为价电子是完全自由的，但量子自由电子学说认为自由电子状态不服从麦克斯韦——玻尔兹曼统计规律，而是服从费米——狄拉克的量子统计规律。
故该理论利用薛定谔方程求解自由电子的运动波函数，计算自由电子的能量。
1.导体，绝缘体，半导体的能带结构（P25-26）二价元素如周期表中的ⅡA族碱土族Be、Mg、Ca、Sr、Ba，ⅡB族为Zn、Cd、Hg，按上边的讨论，每个原子给出两个价电子，则得到填满的能带结构，应该是绝缘体，对一维情况的确是这样，但在三维情况下，由于能带之间发生重叠，造成费米能级以上不存在禁带，因此二价元素也是金属。
1.3习题1.一电子通过5400V电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni晶体（111）面（面间距d=2.04×10-10m）的布拉格衍射角。
2.有两种原子，基态电子壳层是这样填充的（1）12、2226、3233;（2）12、2226、3236310、4246410;，请分别写出n=3的所有电子的四个量子数的可能组态。
压电材料与器件物理
压电材料与器件物理压电材料是一类具有压电效应的特殊材料，它们在外加电场或机械应力下会发生电荷分离，从而产生电压或电荷。
压电效应的应用广泛，尤其在传感器、驱动器和换能器等领域有着重要的作用。
本文将介绍压电材料的物理特性以及压电器件的工作原理。
我们来了解一下压电材料的物理特性。
压电材料可以根据其压电效应的来源分为三类：压电效应、逆压电效应和共轭压电效应。
压电效应是指在外加应力下，材料内部的电偶极矩发生变化，从而产生极化电荷。
逆压电效应是指在外加电场下，材料内部的电偶极矩发生变化，从而产生机械应变。
共轭压电效应是指在外加电场和应力同时存在时，材料表面的电势发生变化。
压电材料的压电性能可以通过压电系数来描述，压电系数越大，说明材料的压电效应越强。
压电器件是利用压电材料的压电效应来实现电能与机械能之间的转换。
其中，压电传感器是一种将机械信号转换为电信号的器件。
当外界施加力或压力时，压电材料会产生压电效应，从而产生电荷或电压信号，通过测量这些信号可以得到相应的机械信号信息。
压电传感器具有灵敏度高、响应速度快、线性度好等特点，广泛应用于压力传感、加速度测量、振动检测等领域。
压电驱动器是一种利用压电材料的逆压电效应来实现机械运动的器件。
当外加电场施加在压电材料上时，材料会发生形变，从而实现机械运动。
压电驱动器具有响应速度快、精度高、能量转换效率高等特点，被广泛应用于精密定位、微调控制等领域。
压电换能器是一种将电能与声能、光能等其他形式能量之间相互转换的器件。
压电换能器利用压电材料的压电效应实现能量的转换。
例如，压电陶瓷换能器可以将电能转换为声能，广泛应用于超声波发生器、声纳等领域。
压电换能器在能量转换效率、频率响应范围等方面具有优势，因此在能源转换和传感领域有着广泛的应用前景。
压电材料及其器件的物理特性和工作原理对于理解和应用压电技术具有重要意义。
通过合理选择压电材料和设计优化压电器件，可以实现高效、高精度的能量转换和信号检测，为各个领域的应用提供了可靠的技术支持。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(2)
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
10
（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
压电材料的性质与应用
压电材料的性质与应用压电材料是一类特殊的材料，在受到力或压力作用时会发生电极化现象，即电荷会在其表面上累积。
这种材料有着广泛的应用领域，如声学、传感器、计量仪器、医疗器械等。
本文将介绍压电材料的性质和应用。
1. 压电材料的性质压电效应是压电材料的特有性质。
当一定的压力施加在压电材料表面上时，材料的体积会发生微小变化，引起电荷的分离，从而产生电势差。
另一方面，当电场施加在压电材料上时，材料会发生形变，这个效应被称为反压电效应。
压电材料因其特殊的性质，不仅在电子设备中广泛使用，也受到了医学、无损检测和航空航天领域的关注。
2. 压电材料的应用2.1 声学领域压电材料最先被引用在传声器产业上。
当一个声音遇到一个压电晶体时，晶体会以轻微的震动进行反应，并生成电信号，产生声波。
所以，压电材料可以应用在扬声器、麦克风、降噪耳机等各种声学设备上。
2.2 传感器领域压电材料能够将机械能转换成电信号，这种情况在传感器领域中极其重要。
例如，土地上的地震活动、楼房上的风荷载，都能产生微弱的振动信号。
通过在压电材料表面施加电场，当振动信号作用在压电材料上时，它就会产生电信号，以此来感测处于压电材料表面上的振动信号。
压电传感器也广泛运用在无损建筑检测、机械设备监控等场合。
2.3 计量仪表由于压电材料具有轻质、耐磨损且易于加工等优点，它被广泛应用于日常使用的计量仪器中，如测量器、水表、电表等。
采用压电材料，这些计量仪器具有较大的灵敏度和较高的准确性。
2.4 医疗器械压电材料在医疗设备中应用广泛。
例如，压电器件可用于医疗探头，延长腔镜，提高拍摄准确性。
此外，压电技术也应用在专业的超声设备上，包括检查器和治疗装置等。
此外，也有一些压电器件能够产生定量的机械刺激，提高肌肉治疗效果。
3. 结论总的来说，压电材料的应用在多个领域广泛，性质独特、灵活、多功能使其成为各种电子、声学、机械、医疗和航空航天等领域中必不可少的材料。
未来，人们将进一步加强对压电材料的研究，拓展其应用领域，同时也会更加注重其在环境友好和可持续发展领域中的运用。
压电材料的物理特性及应用
OCCUPATION1712012 01压电材料的物理特性及应用文/付晓鸥压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。
压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。
自然界中天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷和有机高分子材料都是压电效应比较明显的压电材料，其应用也很广泛。
一、石英晶体的压电特性及其应用石英晶体俗称水晶，成分是二氧化硅（SiO 2），它是一个正六面体，有三个坐标轴，Z轴是晶体的对称轴，称为光轴，在这个方向上没有电压效应；X轴称为电轴，垂直于X轴晶面上的电压效应最明显；Y轴称为机械轴，在电场力的作用下沿此轴方向的形变最显著。
用水晶制作压电石英薄片，在交变电场中，这种薄片的振动频率稳定不变，因此被广泛应用于无线电技术中，用来控制频率。
彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，以保证图像和声音的清晰度。
装有压电晶体元件的仪器可以测试蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化，测量管道中流体的压力。
压电晶体还被广泛应用于声音的再现、记录和传送。
压电式加速度传感器是一种测试加速度的装置，主要由两块压电晶片、质量块、弹簧和基座构成。
测量时，传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受到质量块惯性力的作用。
根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即：F ＝ma 。
这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上，在压电晶片的两个表面上就产生交变电荷（电压），输出电量由传感器输出端引出，可以根据输出电荷测试出试件的加速度。
4.5 压电性(材料物理性能)
B.石英单晶片的压电效应
从晶体上沿 y 方向切下一块如图（c）所示晶 片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其大小为： qx = d11 fx d11—x方向受力的压电系数; fx—作用力。
在同一切片上, 沿机械轴y 方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为： qy=d12 fy d12——y 轴 方 向 受 力 的 压 电 系 数 , d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
13
（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时
晶体沿 x 方向将产生压缩变形 , 正负离子的
相对位置也随之变动。如图（ b ）所示 , 此
时正负电荷重心不再重合 , 电偶极矩在 x 方 向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而 不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴的 正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分 量仍为零, 不出现电荷。
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电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其符号如图（a） 和（b）所示。拉应力时为正，压应力时 为负。
在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用 力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电 荷qy, 其符号如图（c）和（d）所示。 拉应力时为正，压应力时为负。
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C.石英单晶的压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。
石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结
构单元 ( 晶胞 ) 中，有三个硅离子 Si4+ 和六个氧 离子O2 ，后者是成对的，所以一个硅离子和 二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们 将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的 正六边形排列，如图（ a ）所示，图中“ ” 代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º
材料物理性能名词解释
铁电性：电偶极子由于它们的相互作用而产生的自发平行排列的现象。
屈服极限：中档应力足够大，材料开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力。
延展性：指材料受塑性形变而不破坏的能力。
构建的受力模型：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲塑性形变：指外力移去后不能恢复的形变。
热膨胀：物体的体积或长度随着温度的升高而增加的现象称为热膨胀，本质是点阵结构中质点的平均距离随温度升高而增大。
色散：材料的折射率随入射光频率的减小而减小的性质。
抗热震性：是指材料承受温度的剧烈变化而抵抗破坏的能力。
蠕变：对材料施加恒定应力时。
应变随时间的增加而增加，这种现象叫蠕变。
此时弹性模量也将随时间的增加而减少。
弛豫：对材料施加恒定应变，应力随时间减少的现象，此时弹性模量也随时间而降低。
滞弹性：对于理想弹性固体，作用应力会立即引起弹性形变，一旦应力消除，应变也随之消除。
对于实际固体，这种应变的产生和消除需要一定的时间，这种性质叫滞弹性。
粘弹性：有些材料在比较小的应力作用下可以同时表现出弹性和粘性。
虎克定律：材料在正常温度下，当应力不大时其变形是单纯的弹性变形，应力与应变的关系由实验建立。
晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动。
应力：单位面积上所受的内力。
形变：材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。
应变：物质内部各质点之间的相对位移。
本征电导：由晶体点阵的基本离子运动引起。
离子自身随热运动离开晶格形成热缺陷，缺陷本身是带电的，可作为离子电导截流子，又叫固有离子电导，在高温下显著。
杂质电导：由固定较弱的离子的运动造成，主要是杂质离子。
在低温下显著。
杂质电导率要比本征电导率大得多。
离子晶体的电导主要为杂质电导。
热电效应：自发极化电矩吸附异性电荷，异性电荷屏蔽自发极化电场而自发极化对温度影响当温度变化时释放出电荷。
极化:在外电场作用下,介质内质点政府电荷重心的分离,并转变为偶极子,即电介质在电场作用下产生感应电荷的现象.自发极化：这种极化状态并非由外加电场所引起而是由晶体内部结构特点所引起。
材料性能学第十二章 材料的压电性能与铁电性能
为什么用实验方法很难发现具有自发极化的晶 体所带电荷
因为自发极化建立的电场吸引了晶体内部和外 部空间的异号自由电荷，在晶体表面形成一个 表面电荷层，结果自发极化建立的表面束缚电 荷被吸引来的表面自由电荷所屏蔽．但是，改 变温度或者施加应力产生变形时，由于离子间 距和键角发生变化，自发极化强度Ps也将发生 变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷 层就有一部分可以恢复自由而释放出来，使晶 体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流。 这就是热释电效应和压电效应．
铁电体的特性
✓电滞回线
✓居里点
✓具有临界特性
电滞回线
✓ 铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作 用下运动的宏观描述
✓ 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P－E呈双电滞回线。
居里温度
由热力学定律可知，压电晶体的Gibbs自由能可 表达为
G=U-TS-TiSi-EiPi 式中：G为Gibbs自由能；U为内能；T为绝对温 度；S为熵;Ti为应力;Si为应变;Ei为电场强度；Pi 为极化强度．若不施加应力时，则有
压电效应机理示意图
压电性能的主要参数(自学)
介电常数 介质损耗 弹性系数 压电常数 机械品质因素 机电耦合系数
压电材料及其应用
上世纪自40年代中期出现了BaTiO3陶瓷以 后，压电陶瓷的发展较快。两个分支：一是 晶体和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子 聚合物）。 有钛酸钡 、钛酸铅 、锆酸铅 、锆钛酸铅 、 其它压电陶瓷材料
2．热释电性能表征 热释电效应的强弱可用热释电系数
来表示．
P pT
P为热释电系数，单位 为C·cm-2·K-1
热释电系数的种类
当晶体处于夹持状态时，由于晶体受热其尺寸和形 状不变，所以，称这种状态下的热释电系数为恒应变 热释电系数或一级热释电系数pS．
压电性和铁电体
机电耦合系数：
通过逆压电效应转换的 机械能 K 输入的电能总量 通过正压电效应转换的 电能 2 K 输入的机械能总量
2
马如璋、蒋民华、徐祖耀《功能材料学概论》P.166
二、热释电性
这种由于温度变化而使极化改变的现象称为 热释电效应 压电性和热释电性是电介质的两个重要特性。 一些无对称中心晶体结构电介质可具有压电性，而 有极轴和自发极化的晶体电介质可具有热释电性。
补充内容：压电性、热释电性、铁电性
一、压电性
有些晶体在一些特定的方向上加力，则在力的垂直方向的 平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。压电体。 目前超过1000种。 1、正压电效应：当晶体受到机械力作用时，一定方向的 表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线 性关系，这种机械能转换成电能的过程。 2、逆压电效应：当晶体在外电场激励下，晶体在某 些方向上产生形变或谐振的现象。
电光铁电材料，Pb1-x Lax (Zry Ti1-y )O3 简称PLZT，电光快门。
. .
五、应用
铁电陶瓷按功能分类：压电功能、热释电功 能、铁电功能、电致伸缩功能和电光功能。
多层电容
压电发电机
压电马达 压电驱动器容器
红外探测器 压电传感器和驱动器 电光快门 电光显示 膜材 非易失记忆元件 阻挡层 集成光学
3、电致伸缩：任何电介质在外场作用下，都会发生尺寸 变化，即产生应变，这种现象称为电致伸缩效应，其应变大 小与所加的电压成正比。
应变 逆压电效应 电致伸缩效应
电场
4、压电材料主要的表征参数 除描述电介质的介电常数、介电损耗、介电击穿强度外， 还有机械品质因数和机电耦合系数。 机械品质因数：
45 压电性(材料物理性能)总结
11
C.石英单晶的压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。
石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结
构单元 ( 晶胞 ) 中，有三个硅离子 Si4+ 和六个氧 离子 O2 ，后者是成对的，所以一个硅离子和 二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们 将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的 正六边形排列，如图（ a ）所示，图中“ ” 代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º
4.5 压电性
内容简介 一、压电效应及压电体 二、压电机理 三、压电振子 要求： 理解压电效应的概念与机理 理解压电性与晶体结构的关系
理解压电振子的作用
1
一、压电效应与压电体
压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
1、压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生 符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不 带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
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固 有 偶 极 子
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正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
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2)常见的压电材料
种类 压电 单晶 材料 特点 缺点 培养单晶比较困 难，成本较高
石英、磷酸二氢 重现性好、稳定性高， 铵、锗酸铋等
压电 陶瓷
钛酸钡、钛酸铅、压电陶瓷是现有压电材料中 锆钛酸铅(PZT) 机电耦合系数最大的。它制 造工艺简单，价格低廉，容 易制成任意形状，尺寸不受 限制，而且可以通过成分和 工艺的适当调整和选择来改 变其各项性能，
压电材料性能
压电材料性能压电材料是一类具有压电效应的功能材料，它在电子、通信、医疗等领域有着广泛的应用。
压电效应是指在外加压力的作用下，材料会产生电荷分离，从而产生电压。
压电材料的性能对其应用具有重要影响，下面将就压电材料的性能进行详细介绍。
首先，压电材料的压电系数是衡量其性能的重要指标之一。
压电系数是指在单位力的作用下，材料产生的电荷分离量与作用力之比。
压电系数越大，说明材料在外加压力下产生的电荷分离量越大，从而产生的电压也越大。
因此，较大的压电系数可以提高压电材料的灵敏度和效率。
其次，压电材料的介电常数也是影响其性能的重要因素之一。
介电常数是指材料在外加电场下的极化能力，它反映了材料对电场的响应能力。
介电常数越大，说明材料在外加电场下的极化能力越强，从而可以产生更大的电荷分离量。
因此，较大的介电常数可以提高压电材料的电压输出能力。
另外，压电材料的机械性能也对其压电性能有着重要影响。
材料的机械性能包括硬度、弹性模量、断裂韧性等指标。
较好的机械性能可以保证材料在外界环境下具有较好的稳定性和耐久性，从而保证其压电性能的长期稳定性。
此外，压电材料的温度特性也是需要考虑的因素之一。
温度对压电材料的性能有着重要影响，一般来说，压电材料的压电系数和介电常数随温度的升高而下降。
因此，对于特定应用场景，需要选择具有较好温度稳定性的压电材料，或者采取相应的温度补偿措施。
总的来说，压电材料的性能包括压电系数、介电常数、机械性能和温度特性等多个方面。
在实际应用中，需要根据具体的应用要求选择合适的压电材料，并在制备和设计过程中充分考虑其性能特点，以达到最佳的应用效果。
希望通过本文的介绍，能够对压电材料的性能有一个更加清晰的认识。
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2、逆压电效应
当在电介质的极化方向上施加 电场(加电压)作用时，这些电 介质晶体会在一定的晶轴方向 产生机械变形，外加电场消失， 变形也随之消失，这种现象称 为逆压电效应(电致伸缩)。
δ
3
－－－－－－－ + + + + +
极化方向
－－－－－－－ + + + + +
极化方向
自由电荷
－ － － － － + + + + + + +
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（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时
晶体沿 x 方向将产生压缩变形 , 正负离子的
相对位置也随之变动。如图（ b ）所示 , 此
时正负电荷重心不再重合 , 电偶极矩在 x 方 向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而 不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴的 正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分 量仍为零, 不出现电荷。
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正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
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2)常见的压电材料
种类 压电 单晶 材料 特点 缺点 培养单晶比较困 难，成本较高
石英、磷酸二氢 重现性好、稳定性高， 铵、锗酸铋等
压电 陶瓷
钛酸钡、钛酸铅、压电陶瓷是现有压电材料中 锆钛酸铅(PZT) 机电耦合系数最大的。它制 造工艺简单，价格低廉，容 易制成任意形状，尺寸不受 限制，而且可以通过成分和 工艺的适当调整和选择来改 变其各项性能，
如硫化镉、氧化 锌等。还有一些 以有机高分子化 合物制成的薄膜 压电材料， 特点是具有良好的成型性和 柔顺性，加工也比较简单， 可制成大面积薄膜，其中压 电性最强的是聚偏二氟乙烯
是重现性和一致 性较差，均匀性 和机械强度不够 理想，限制了它 在更高频率范围 的应用。
压电 薄膜
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3）电介质、压电体、热释电体、铁电体的关系
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B.石英单晶片的压电效应
从晶体上沿 y 方向切下一块如图（c）所示晶 片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其大小为： qx = d11 fx d11—x方向受力的压电系数; fx—作用力。
在同一切片上 , 沿机械轴 y 方向施加作用力 fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为： qy=d12 fy d12——y 轴 方 向 受 力 的 压 电 系 数 , d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
电介质、压电体、热电体 和铁电体的关系
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二、压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 1、石英单晶压电效应 A.石英晶体结构 石英晶体各个方向的特性是不同的。 Z-Z轴—光轴，该轴无压电效应和无双折射现象； X-X轴—电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强； Y-Y轴—机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变 形最明显。 沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “纵向压电效应”, 石英晶体化学式为SiO2 单晶体结构：正六面体 沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为 “横向压电效应”。
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2、 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 A.压电陶瓷晶体结构 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴 , 它有一定的极化方向, 从而 存在电场。 如图 （a）所示。
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B .压电陶瓷的预极化 只有经过极化工序处理的陶瓷才能显示压电效应 预极化：在压电陶瓷上加一个强直流电场,使陶瓷中的电畴沿电场方向取 向排列完成预极化。 1）预极化过程 （a）在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效 应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为 零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具 有压电性质。如图 （a）所示。
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2） 预极化的参数 （a）极化电场E
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。
极化电场必须大于样品的矫顽场，通 常为矫顽场的二、三倍。 （b）极化温度 极化电场和时间一定的条件下，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320-420K （c）极化时间 极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。 一般极化时间从几分钟到几十分钟
例如
将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切 割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面 抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。 其结构 示意图和符号如右图所示。
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2、压电振子的参数 1、压电常数 它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。 2、频率常数 压电材料的频率常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 3、介电常数 对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有关，而固 有电容又影响着压电传感器的频率下限。 4、绝缘电阻 压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。 5、机械耦合系数 在压电效应中，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。 6、居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度。
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（c）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时
晶体的变形如图所示, P1增大, P2、P3 减小。
在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负 电荷。 在y轴方向上不出现电荷。
当作用力 fx 、fy 的方向相反时 , 电荷的极性
也随之改变。
逆压电效应 将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重 心产生位移。这一位移导致晶体发生形变。
铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因 而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。
介电体 压电体
热电性:含有固有电偶 极矩的极性晶体，由 于温度变化引起电极 化状态的改变,当均匀 加热时,能够产生电荷。 这种偶极子的效应称 为热电性，具有热电 性的物体叫热电体
热释电体
铁电体
－ － － － － + + + + + + + － － － － － －－－－－－－ 释放电荷 + + + + +
极化方向
正压电效应
－ － － － － + + + + + + + + + + + +
逆压电效应
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3、压电体
能产生压电效应的晶体就叫压电体。
2007报道，澳大利亚的Adam Best博士开发出一种发电 材料，能利用衣服发电。 这项技术主要是运用“压电效应”，将这种材质 编入衣服布料内，当我们穿着它活动，压折或扭曲到 衣服时便会产生电流，然后储存进镶嵌在衣服内的软 式蓄电池里，就可以拿来为行动电话或是MP3充电。
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C.石英单晶片的压电效应与压电机理 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强 的剩余极化, 当陶瓷材料受到外力作用时 , 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而 引起剩余极化强度的变化 , 因而在垂直于 极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的由机械效应转变为电
效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压
4.5 压电性
内容简介 一、压电效应及压电体 二、压电机理 三、压电振子 要求： 理解压电效应的概念与机理 理解压电性与晶体结构的关系
理解压电振子的作用
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一、压电效应与压电体
压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
1、压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生 符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不 带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
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电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其符号如图（a） 和（b）所示。拉应力时为正，压应力时 为负。
在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用 力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电 荷qy, 其符号如图（c）和（d）所示。 拉应力时为正，压应力时为负。
夹角的电偶极矩Pl、P2和P3。
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（a）不受力时 当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正 好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成 120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 （a） 所示。 因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距 离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢 量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面 不产生电荷, 即呈中性。
电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外 力成正比关系:
q = d33 F
式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数; F——作用力。 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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三、压电振子及其参数
1、压电振子 压电振子：极化后的压电体 压电振子是最基本的压电元件。元件的几何形状不同,形成各种不同的振 动模式。
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（1） 压电振子谐振频率 A. 谐振特性 谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频 率一致时，产生谐振。
反谐振 阻抗
谐振 频率
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B.谐振频率与反谐振频率
压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率fm =谐 振频率fr
交变电场频率继续增大到fn ，输出电流达最小值， fn叫最大阻抗频率=反谐 振频率fa