压电材料概述

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。