压电材料概述
压电材料
反之，当材料在电场作用下，发生电 极化时，则会产生应变，其应变值的 大小与所加电场的强度成正比，其符 号取决于电场的方向，这种现象称逆 压电效应。 具有压电效应的材料叫做压电材料， 因此，通过压电材料可将机械能与电 能相互转换。
正压电效应的应用主要用于燃气点火器， 如燃气灶、燃气打火机等的点火系统。 基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧， 压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打 击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花， 点燃可燃气体。
㈡ 压电半导体：常用的有Ⅱ－Ⅵ 族化合物如 CdS、CdSe、ZnO、 ZnS。Ⅲ－Ⅴ族化合物如：GaAs、 GaSb、InAs等。
㈢ 压电陶瓷：压电陶瓷多晶材料 比压电晶体材料更便宜，但易于老 化。目前，最常用的压电陶瓷有钛 酸钡（是第一个被发现的可以用于 制造陶瓷的铁电材料）、钛酸铅、 锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3 组成的二元固溶体）。
③压电打火机 现在煤气灶上用的一种 电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。 只要用手指压一下打火按钮，打火机上的 压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而 点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火 机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长， 例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机 可压电 陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光 辐射达到危险程度时，护自镜里的压电陶 瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里， 能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光 消失后，又能恢复到原来的状态。这种护 目镜结构简单，只有几十克重，安装在防 核护目头盔上携带十分方便。
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很 小，最多不超过本身尺寸的千万分之一， 别小看这微小的变化，基于这个原理制做 的精确控制机构－－压电驱动器，对于精 密仪器和机械的控制、微电子技术、生物 工程等领域都是一大福音。
压电材料
IT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
2 4e11 k 1C11
三、机电耦合系数 依 k 的定义式则:
不同方向 k 不同，因此有 k11, k22，k33，… kij 等， 例如，薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为 k31, 圆柱体轴向 伸缩模式的耦合系数为k33，方片厚度切变模式的耦合系数为 k15, 薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为 kP 等等。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)，通常 用ε 表示。当压电材料的电行为用电场强度 E 和电位移 D 作变量来描述时，则有： D= ε E 考虑到 D 和 E 均为矢量，在直角坐标系中，上式可以表 示为以下的矩阵形式：
EXIT
第三章
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
二、压电常数 应该指出，对于国际单位制有:
D=ε 0E+P 当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表示式中的 P 均可换为 D。ε 0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。 它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
EXIT
第三章
§3.1 压电效应的机理
压电材料
晶体共有 32 个点群，也就是按对称性分为 32 类。 其中20类是非中心对称的，它们有可能具有压电效应。 不过，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即 使无对称中心并不足以保证具有压电性。 只有少数几种晶体材料才具有压电效应。 所有晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加 应力，将改变晶体的电极化。 但是，压电晶体不同时具有铁电性。 石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体 又是铁电体。
压电材料
压电石英晶体材料
基本原理
压电效应的机理是：具有压电性的晶体对 称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中 正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合， 导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度 等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材 料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。 反之，逆压电效应是：压电材料在电场中 发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
超声波换能器的结构
外壳 匹配层 即声窗、
压电陶瓷 圆盘换能器
Cymbal 阵 列接收器 背衬
引出电缆
超声波换能器的应用-- 超声波清洗机
超声波清洗机主要由超声波发生器和超声波 清洗槽两部分组成。超声波清洗槽用坚固弹 性好、耐腐蚀的优质不锈钢制成。底部安装 有超声波换能器振子；超声波发生器产生高 频高压，通过电缆连接线传导给换能器，换 能器与振动板一起产生高频共振，从而使清 洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净。
材料应用例子
当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电 陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在 这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷， 当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就 把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的 电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是， 燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功 能就叫做压电效应。
超声波换能器的应用
超声波 器
超 声 波 清 洗 机
超声波
超声波换能器
超声波清洗机工作流程
超声波发生器产生高频高压
传导给换能器
换能器与共振板一起高频共振
高频振动清洗污垢
发展现状
压电性特异 的多元单晶 压电体
压电陶瓷-高聚物 复合材料
PbTiO3系 压电材料
细晶粒 压电陶瓷
压电材料的性质与应用
压电材料的性质与应用压电效应是指某些晶体在受到力的作用时会产生电位变化，反之也成立。
这是一种特殊的物理现象，由于其独特的性质和极大的应用潜力，压电材料成为现代科技领域的重要研究方向之一。
压电材料主要分为陶瓷和聚合物两种类型。
最经典的压电材料是酸钛酸钡（PZT）陶瓷，它具有良好的压电性能和较高的稳定性。
除此之外，聚乙烯二氟乙烯（PVDF）是一种具有很强压电效应的聚合物材料，广泛应用于生物医学、电子通信等领域。
压电材料的性质非常独特且有趣。
当外力施加在压电材料上时，它会发生形变，并产生内电位变化。
这种电位变化与施加在材料上的压力成正比。
同样地，当施加额外电场时，压电材料会发生形变。
这种双向耦合性使得压电材料能够被广泛应用于传感器、声音放大器、悬浮平台等装置中。
压电材料的应用范围广泛且多样化。
其中，压电传感器是最常见的应用之一。
压电传感器使用压电效应来测量各种力和压力。
举一个例子，汽车碰撞传感器利用压电效应来检测碰撞的力量和位置，从而触发安全气囊。
在航空航天领域，压电传感器广泛应用于测量机翼变形和飞机结构的应力变化。
此外，压电材料还被使用在电子设备中，如压电谐振器可用于产生稳定的频率信号。
除了压电传感器，压电材料还可以用于应力传感器。
力传感器是一种用于测量物体上施加的力量的设备。
压电材料参与制造传感器的感应机制是：当外界力施加于压电材料上时，材料会产生电荷。
这种电荷可以转换为电压或电流，从而量化外力。
压电材料在医学领域的应用也非常广泛。
压电陶瓷或聚合物材料制成的压电换能器可以将机械运动转化为电学信号，并用于心电图、骨密度扫描等医疗设备中。
此外，压电器件还可以用于充当假肢和听力辅助设备中的感知器。
总而言之，压电材料以其独特的性质和广泛的应用潜力，成为了现代科学领域的研究热点之一。
通过深入研究压电材料的性质和应用，科学家们可以进一步开发出更多的创新技术和设备，为我们的社会和生活带来更多的便利和进步。
压电材料有哪些
压电材料有哪些
压电材料是指在外力作用下，可以产生电荷分布不对称，从而产生电荷转移和电势差的材料。
常见的压电材料主要包括以下几类：
1.晶体压电材料：晶体压电材料是指在晶体结构中存在非中心
对称性，使得在外力作用下，晶体可以产生电荷分布不对称的现象。
常见的晶体压电材料有石英、铅酸锂、硼酸铋等。
2.陶瓷压电材料：陶瓷压电材料是指由陶瓷基质和压电晶体颗
粒组成的复合材料。
常见的陶瓷压电材料有氧化锆、氧化铁、氧化铅等。
3.聚合物压电材料：聚合物压电材料是指由聚合物分子构成的
材料，在外力作用下可以发生分子畸变产生电荷效应。
常见的聚合物压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氯乙烯（PVC）等。
4.液体压电材料：液体压电材料是指在液体介质中存在压电效应。
常见的液体压电材料有液晶材料、某些有机化合物等。
需要注意的是，不同类型的压电材料具有不同的压电性能和应用领域。
例如，晶体压电材料具有高压电系数和较高的工作温度，适用于传感器、声波发生器等领域；聚合物压电材料具有较低的压电系数和低成本，适用于柔性传感器、能量采集等领域。
因此，在选择压电材料时，需要根据实际应用需求来进行选择。
压电材料有哪些
压电材料有哪些压电材料是一类具有压电效应的材料，它们在受到外力作用时会产生电荷分离，从而产生电压。
这种特殊的性质使得压电材料在传感器、换能器、声波器件和振动控制等领域具有重要的应用价值。
下面将介绍几种常见的压电材料及其特点。
1. 石英晶体石英晶体是一种常见的压电材料，它具有良好的压电性能和稳定的物理化学性质。
石英晶体的压电系数较高，能够在较小的应变下产生较大的电荷分离，因此被广泛应用于压电传感器和压电换能器中。
此外，石英晶体还具有优异的机械性能和化学稳定性，能够在恶劣的环境条件下工作。
2. 铅锆钛酸钡（PZT）铅锆钛酸钡是一类重要的铁电压电材料，具有良好的压电性能和优异的铁电性能。
PZT材料在外加电场作用下会产生畸变，从而产生压电效应。
它具有较高的压电系数和介电常数，能够在微米尺度下产生较大的电荷分离。
PZT材料被广泛应用于压电陶瓷、压电换能器、压电马达等领域。
3. PVDF聚偏氟乙烯PVDF聚偏氟乙烯是一种新型的压电聚合物材料，具有良好的压电性能和柔韧性。
PVDF材料具有较高的极化度和良好的机械性能，能够在较大的应变下产生较大的电荷分离。
由于其优异的柔韧性和可加工性，PVDF材料被广泛应用于柔性压电传感器、柔性压电换能器和生物医学器件等领域。
4. 钛酸锆钠（ZnO）钛酸锆钠是一种新型的压电无机材料，具有优异的压电性能和光电性能。
ZnO材料具有较高的压电系数和优异的光电性能，能够在外加电场或光场作用下产生较大的电荷分离。
由于其优异的光电性能，ZnO材料被广泛应用于光电器件、光伏器件和光学传感器等领域。
综上所述，压电材料是一类具有特殊压电效应的材料，具有重要的应用价值。
石英晶体、PZT、PVDF和ZnO是几种常见的压电材料，它们在传感器、换能器、声波器件和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，压电材料的研究和应用将会得到进一步的推广和深化。
压电材料与应用
迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有： 1.BaTiO3基无铅压电陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） I II I II b （1-x） BaTiO3-xA B O3 （A =K、Na，B =Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）
材料 Kp Kt d33 (PC/N)
g33 (×10－3Vm/N)
F15-6 15PZTPZT-4 F15-7 15F C-1 P-5 PS PZTPZT-8 F3 SW2 SW3 PGB PZTPZT-7 F 2-6 BTBT-2
0.62 0.58 0.52 0.57 0.58 0.55 0.59 0.59 0.51 0.56 0.32
压电材料性能指标 压电材料性能指标
Kt Kp
K33 K15 K31
3、机械品质因数Qm
压电材料性能指标 压电材料性能指标
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm 是反映能量消耗大小的一个参数。 越大，能量消耗越小。 是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数 的定义式是： Qm的定义式是：
压电材料概述
压电陶瓷
优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状， 便宜。 便宜。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm) (kV/mm)。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
压电聚合物
优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm) 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
电子材料压电材料
电子材料压电材料一、压电材料定义压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，能够将机械压力转化为电荷信号或者将电场转化为机械运动。
这种材料的压电效应来源于晶格结构的非对称性，当外力作用于压电材料上时，会导致其中的电荷分布不均匀，产生电势差，从而产生电荷信号。
相反，当施加电场时，材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动，这就是逆压电效应。
、压电材料类型1、晶体类压电材料：如石英等，它们具有优异的压电性能，但成本较高。
2、陶瓷类压电材料：如铅酸钡、钛酸钡等，它们是应用最广泛的压电材料之一，具有良好的压电性能和较低的成本。
3、高分子类压电材料：如聚乙烯二醇、聚偏氟乙烯等，这些材料具有良好的柔韧性和可塑性，适用于一些特殊应用场合。
4、单晶类压电材料：如压电单晶铁酸锆、压电单晶铁酸钛等，这些材料具有极高的压电性能，适用于一些高端应用领域。
5、复合类压电材料：如压电陶瓷-高分子复合材料等，这些材料综合了多种材料的优点，具有比较优异的压电性能和机械性能，适用于一些特殊的应用场合。
三、压电材料原理压电材料的原理是基于晶体结构的非对称性，当施加外力或电场时，晶体结构会发生形变，导致其中的正负电荷分布不均，从而产生电势差。
这种现象被称为直接压电效应。
具体来说，压电材料的晶体结构可以被看作是由正负离子交替排列而成的极化晶体。
当施加外力（如压力、挤压、弯曲等）时，晶体结构会发生畸变，导致其中的正负离子分布不均，从而产生电势差。
这个电势差就是压电材料产生的电信号。
逆压电效应与直接压电效应相反，即当施加电场时，压电材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动。
四、压电材料应用1、传感器：压电材料可以将机械压力转化为电信号，因此常被用作传感器的敏感元件。
例如，压电材料可以用于测量压力、重量、应力、振动等物理量。
2、声波器件：压电材料的逆压电效应可以将电信号转化为机械振动，因此可以制成各种声波器件，如扬声器、麦克风、声波传感器等。
《压电材料》课件
水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度，但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先，将原料放入密封的容器中，加入适量的 水，然后通过具有较高的取向度和 结晶度，但需要高温高压的条件，对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点，旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构，提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力，确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压，提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用，用于检测制动盘的振动和温度，确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测，提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性，可以制作各种 医疗器械，如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性，可以制作各种 军事设备，如声呐、引信等。
压电材料
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体） 的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦 合系数,。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
压电材料
一、 压电材料概述 二、压电陶瓷材料 三、压电聚合物材料 四、压电复合材料
压电材料的原理
压电材料概述
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变， 引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激 励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
1、压电常数d33
压电材料性能指标
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或 电场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向 （z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系 式：
2、机电耦合系数Kp
压电材料性能指标
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电 能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换 能力的反映。机电耦合系数的定义是： 通过逆压电效应转换所 得的机械能 K2 转换时输入的总电能 或
K2 通过正压电效应转换所 得的电能 转换时输入的总机械能
存在的不足
1居里点不高 2压电性能与含铅系类陶瓷相比较弱 3需要高温烧结
改进方法
1 同价元素取代改性 2 异价元素取代改性 3 微量参杂 4 引入二组元或三组 元形成固溶体
压电陶瓷， 一种能够将 机械能和电 能互相转换 的功能陶瓷 材料，属于 无机非金属 材料
压电陶瓷特性
Байду номын сангаас
压电材料结构
压电材料结构压电材料是一类具有压电效应的材料，它们在受到外力作用时能够产生电荷分布的变化，从而产生电场，这种电场可以被用来驱动机械运动或者被用来传感器件。
压电材料结构的设计和制备对于压电效应的发挥至关重要。
首先，压电材料的结构可以分为单晶结构和多晶结构。
单晶结构的压电材料具有高的压电性能，因为它们具有无定形的结构，内部没有晶界和颗粒边界的存在，因此能够更好地传递外力和电荷。
而多晶结构的压电材料由于晶界和颗粒边界的存在，导致了压电性能的降低，但是多晶结构的制备成本更低，更适合大规模生产。
其次，压电材料的结构设计需要考虑材料的晶体结构和晶格参数。
晶体结构的对称性和晶格参数的大小会直接影响材料的压电性能。
例如，具有四方对称性的压电材料通常具有较高的压电系数，而具有三方对称性的压电材料则具有较低的压电系数。
此外，晶格参数的大小也会影响材料的压电性能，通常情况下，晶格参数越大，压电系数越高。
另外，压电材料的结构设计还需要考虑材料的微观结构和晶体缺陷。
微观结构的改变会直接影响材料的极化和电荷分布，从而影响压电效应的发挥。
而晶体缺陷则会影响材料的机械性能和稳定性，因此需要在结构设计中进行适当的控制和改进。
最后，压电材料的结构设计还需要考虑材料的表面和界面结构。
表面和界面结构的改变会直接影响材料的极化和电荷分布，从而影响压电效应的发挥。
因此，在压电材料的制备过程中，需要对材料的表面和界面结构进行精细的调控和处理。
综上所述，压电材料结构的设计和制备对于压电效应的发挥至关重要。
在结构设计中，需要考虑材料的单晶结构和多晶结构、晶体结构和晶格参数、微观结构和晶体缺陷、以及表面和界面结构等因素，从而实现材料压电性能的最大化。
希望本文的内容能够对压电材料的研究和应用提供一定的参考和帮助。
压电材料
压电材料压电材料（piezoelectric material），受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。
这一现象被称为压电效应。
随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。
压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。
反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。
因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。
压电材料压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。
于是，燃气就被电火花点燃了。
压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。
如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。
而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。
也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。
压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。
例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。
第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。
压电材料概述
1.1.1 压电材料概述压电材料是指能够产生压电效应以及逆压电效应的多功能材料，主要包括压电单晶[1]、压电陶瓷(多晶)[2,3]、压电高分子聚合物[4]、压电薄膜[5]以及近些年来逐渐兴起的压电复合材料[6]等。
在实际应用当中，有两种压电效应是最为常见的，一种是电场和应变方向重合，叫做纵向压电效应。
另外一种是电场和应变方向垂直叫做横向压电效应。
近些年来，压电材料广泛应用于超声换能器[7]、工业无损检测、压电超声马达[8]、超声清洗、压电变压器、压电滤波器[9]和水声声纳探测等多个领域，随着压电换能器以及其它压电元器件的迅猛发展和广泛应用，对压电材料的要求也越来越来高，所以制备性能优良、成本低廉以及能够满足特定需求的压电材料，成为了当今的热门研究方向之一[10]。
近些年来国内外一大批科学家对压电材料和压电换能器的理论基础和实际应用进行了非常深入的研究，使得压电材料的研究和应用逐渐进入了一个前所未有的辉煌时期。
1.1.2 压电材料发展趋势1996年，Y.Yamas hi t a 在第12届国际应用铁电学会议上做了标题为“Can relaxor piezoelectric materials outperform PZT ？”的关于新型弛豫铁电晶体发展的学术报告。
k 33/%year图1-1 压电材料的发展趋势Y.Yamashita 认为性能优越的弛豫铁电晶体将在未来成为主导的压电材料，图1-1中给出了过去60年中压电材料的发展趋势[11]，大概是从1940年左右3BaTiO 的出现到1950年左右的PZT 陶瓷再到当今最为流行的弛豫铁电陶瓷和单晶。
压电材料向着性能越来越好、成分组成以及制备工艺越来越复杂的方向发展，而这些问题和困难也为压电材料研究工作者提供了一个发挥聪明才智的舞台。
5-2 压电材料
克分子比例混合后充分研磨成型，经高温 1 300~1 400 ℃ 烧结，然后再经人 工极化处理得到的压电陶瓷。 这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的 50 倍）。不足之处是居里温度低(120 ℃) ，温度稳定性和机械强度不如石英晶 体。
切型，其中第一个字母 Y 表示石英晶片在原始位置（即旋转前的位置）时的 厚度沿 Y轴方向，第二个字母 X 表示石英晶片在原始位置时的长度沿 X 轴方
向，第三个字母 l 和角度 35o 表示石英晶片绕长度逆时针旋转 35o ，如图512所示，又如 (XYtl)50/-500 切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿 X 轴 方向，长度沿 Y 轴方向，先绕厚度 t 逆时针旋转 5o ，再绕长度 l 顺时针
§5-2 压电材料
㈡锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由 PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb(Zr 、Ti)O3。它与钛 酸钡相比，压电系数更大，居里温度在 300 ℃ 以上，各项机电参数受温度影 响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如 铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT 材料。因此锆钛酸铅系 压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
§5-2 压电材料
一、石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图5-10和 图5-11所示。
由图可见，在 20 0C～200 0C 温度范围内，温度每升高 1 0C，压电系数 仅减少 0.016 % 。但是当温度达到居里点（573 0C）时，石英晶体便失去了 压电特性。
第七章压电材料和电致伸缩总结
第七章压电材料和电致伸缩概述压电材料是一类具有压电效应的功能性材料，能够在机械力作用下产生电荷分离，从而产生电压。
而电致伸缩则指的是材料在电场作用下发生形变的能力。
本章将对压电材料和电致伸缩进行，包括原理、应用以及未来的发展趋势。
压电材料的原理压电效应是压电材料的最重要特性之一，它是指在机械力的作用下，压电材料会产生电荷分离，从而产生电压。
这种效应可以追溯到石英晶体的发现，当外界施加机械压力时，晶体的内部结构会发生改变，导致电荷分离。
压电材料的压电效应可以应用于传感器、驱动器、谐振器等领域。
压电材料的分类压电材料可以分为两大类：无机压电材料和有机压电材料。
无机压电材料无机压电材料是指由无机化合物制成的材料，如石英、铅锆钛酸钡（PZT）、铁电单晶等。
无机压电材料具有较高的压电系数和稳定性，因此在高精度仪器、传感器等领域得到广泛应用。
有机压电材料与无机压电材料不同，有机压电材料是由有机化合物制成的材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏硫醚（PSE）。
这些材料具有较低的压电系数，但却具有较高的柔韧性和可加工性，因此在柔性传感器、人工肌肉等领域具有广阔的应用前景。
电致伸缩的原理电致伸缩是指在外加电场的作用下，材料的尺寸会发生变化。
这是因为当电场作用于材料时，电场中的电荷会引起材料中离子的偏移，从而导致材料的形变。
电致伸缩效应常见于压电材料和铁电材料中，广泛应用于执行器、传感器、电子设备等领域。
电致伸缩的应用电致伸缩的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：执行器电致伸缩材料可以被用作执行器，通过改变电场来控制材料的形变以完成特定的运动。
这种执行器可以广泛应用于机器人、医疗器械、航空航天等领域。
传感器压电材料和电致伸缩材料的组合可以用来制造传感器，通过测量电场或形变，可以实现对温度、压力、应变等物理量的检测。
这种传感器在工业自动化、医疗检测、环境监测等领域具有广阔的应用前景。
谐振器压电材料和电致伸缩材料在机械结构上的应用可以形成谐振器，通过对其施加电场来改变谐振频率。
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。
常用的压电材料分类总结
常用的压电材料分类总结常用的压电材料分类总结常用的压电材料分类总结第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。
压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。
具有压电性的.陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。
在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。
如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。
压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。
这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。
如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。
石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。
第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。
这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
压电材料概述齐鹏飞 0900501331中国计量学院材料学院09材料3班，杭州 310018摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。
关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。
主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器，医学成像等。
1、压电材料与压电效应1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。
这一现象被称为压电效应。
随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。
压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。
反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。
下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。
在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。
但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。
如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。
去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。
2、压电材料的发展与应用自从1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。
材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足的进展。
第二次世界大战期间，磷酸二氢铵(ADP)、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。
1921年，J．Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。
1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。
其铁电性引起了科学界的广泛关注，并为了解释其铁电性提出各种铁电模型，从而促进了诸如LiNb03、LiTa03的各种类型的压、铁电晶体的出现。
1947年s．Robert发现BaTiO3。
的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。
1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅(PZT)陶瓷的具有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3陶瓷的一倍。
在以后的30年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料.PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。
近十年来，以PT ／PZT为基础，各种新型的功能陶瓷得到快速发展，对其进行性能改进的主要手段主要是在其化学组成上添加含Bi3+、W6+、Nb3+、La3+等高价离子氧化物或者K+、Mg2+、Fe3+等低价离子氧化物，将PZT材料变成相应的“软性材料”或“硬性材料”，其应用领域各不相同。
在PZT中入PWN可制成三元系压电陶瓷(P04)，国内的压电与声学研究所张福学在PZT中加入PMS制成了PMS三元系压电陶瓷材料等等，这些被改进的PZT材料其综合性能都有显著的提高，可应用于各种不同环境领域。
由于以上几种基于PZT／PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如SiBi4TiO等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。
1956年B．T．Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。
1968年先后发现了硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。
早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。
1969年日本的Kawai发现了PVDF(聚偏二氟乙烯)以及聚偏二氟乙烯和聚偏三氟乙烯的共聚物的压电性能，PVDF及其聚合物是一化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。
其声阻抗与水接近，能很好的与水介质匹配Ⅲ．可用来制作频率较高的换能器以及宽频带水听器。
但其介电常数小、温度稳定性存在问题，这些问题都限制着PVDF的应用。
20世纪90年代初，美国宾州州立大学在实验室成功地研制出了新型的弛豫铁电单晶PMNT和PZNT，其应变量为PZT陶瓷的10倍以上，达到1％到7％，机电耦合系数为92％以上，压电电荷系数达到2000pC／N以上。
单晶压电材料是材料学领域的一项重大突破，是新一代高效能电声、超声、水声换能器和微位移、微执行器的理想材料。
1978年，Newnham首次提出了压电复合材料的概念，并开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制成功了1-3型压电复合材料。
在此基础上美国斯坦福大学的Auld 等人建立了PZT柱周期排列的1-3型压电复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模型；纽约菲利普斯实验室的W.A.Smith等人用1-3型压电复合材料做成了用于医学图像处理的超声换能器，取得了较好的效果。
在随后的数年中，许多国家的科研机构也相继开展了压电复合材料的研究工作。
压电复合材料的开发克服了压电陶瓷的脆性很大，经不起冲击和非对称受力，而且其极限应变小、密度大，与结构粘合后对结构的力学性能会产生较大的影响以及压电聚合物虽然柔顺性好，但是它的使用温度范围小，而且其压电应变常数较低，作为驱动器使用时驱动效果差等缺点。
20世纪80年代科学家们又研制开发出了璃陶陶瓷，这种材料没有陶瓷材料所固有的老化和极化问题，可制作高温环境下工作的换能器。
综上，我们可以将压电材料分为以下六类：(1)单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；(2)陶瓷材料，如错钛酸材料、钛酸铅材料；(3)压电半导体材料，如氧化锌等；(4)高分子聚合物，如聚偏二氟乙烯等；(5)复合材料，如PZT／聚合物、PT／聚合物等；(6)玻璃陶瓷，如Li2Si205、Ba2TiSi06等。
3、压电材料的研究方向现今压电材料的研究热点主要的在弛豫铁电单晶体、高居里温度压电陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五个方面，下面以压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷三种为例介绍。
压电复合材料压电复合材料是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复而成的材料。
压电复合材料比原来的单相材料要复杂，物性能方面的相加性、综合性和乘积性弥补了单相材料的不足。
已开发研制的压电复合材料有0-3型、1-3型、2-2型、3-3型等一系列压电复合材料，其结构由简单到复杂。
压电复合材料是为了满足水听器的性能要求而发展起来的，目前主要用于大面积水听器基阵，水下接收和发射单元等器件。
现今压电复合材料的研究成果丰硕，但存在以下问题：极化处理工艺、复合材料在较高压力下的退极化问题、压电复材料除外的其他耦合模式开发与应用、压电陶瓷相压电性的提高，压电复合材料理论模型的进一步完善和应用研究。
若要大幅度提高材料的性能或在提高材料性能方面有个创造性地突破，就必须不局限于两相材料的研究，提出创新的要领和新思想，才有可能获得额的突破。
三元及多元系固溶体以PZT陶瓷为基础，加入各种元素制成三元系、四元系等压电陶瓷。
目前发展的比较成熟的三元系陶瓷有F94N-PZN-PT、PMN-PZT，四元系的有PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT、PZN-PNN-PZT。
多元系压电陶瓷具有以下优点：能弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。
在近些年，大功率压电材料以高机电耦合系数，高机械品质因数和低介电损耗成为压电陶瓷材料领域里的又一研究热点。
无铅压电陶瓷目前无铅压电陶瓷的研究极为活跃，由于环境和人类社会可持续发展的要求，发展绿色材料及技术是材料发展的趋势之一。
日本在无铅压电陶瓷的研究和开发上，论文和专利数量最多，在世界上占主导地位。
国内的中科院上海研究所于2001年成功地开发了钛酸铋钠基元铅压电陶瓷系列，但现今无铅压电陶瓷的压电性能远不如铅基压电陶瓷，还需进行深入的研究工作。
参考文献[1] 严瑾瑜.压电效应及其在材料方面的应用.数字技术及应用100、101页[2] 黄国平等.压电材料的发展与展望.科技广场, 2001, (01)[3] 孟洪等．PMNT及其在水声换能器上的应用[J] .声学与电子工程，2004，(03)．[4]李邓化等．新型压电复合换能器及其应用[M]．北京：清华大学出版社，2007[5] 胡柳等. 压电发电技术的现状及展望[J]. 绿色科技, 2010, (10)[6] /view/45827.htm。