压电材料的研究

摘要：本文阐述了各类新型压电材料的性能和应用。从压电材料的压电效应入手，介绍了压电材料的分类及发展应用。针对不同类型的压电材料在实际生活中的应用情况，概述了近年压电材料的研究状况，并系统地简介了压电材料在各个领域的应用和发展。

关键词：压电材料压电效应压电材料的分类研究方向实际应用压电材料的应用遍及大家日常生活的各个角落，人们几乎每天都在应用压电材料。香烟、电热水器、汽车发动机等的点火装置要用到压电点火器；电子手表、声控门、电话等要用到压电谐振器或者是蜂鸣器；收音机要用到压电微音器、压电扬声器；数码相机要用到压电马达等等。

压电材料不仅在工业和民用产品上使用广泛，在军事上也有大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。

压电材料还应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。

一、压电材料与压电效应

1880年，法国物理学家居里兄弟发现：把重物放在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，产生的电荷量与其承受的压力成比例，这一发现被称为压电效应。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形变时，其内部会发生极化现象，同时在它的两端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。当去除外力后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。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。

二、压电材料的分类

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；

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。

（2）陶瓷材料，如锆钛酸材料、钛酸铅材料；

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。

（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；

压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料因其材质柔韧、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。

（5）复合材料，如PZT／聚合物、PT／聚合物等；

复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。

（6）玻璃陶瓷，如Li2Si205、Ba2TiSi06等。

三、压电材料的研究方向

如今，压电材料的研究热点主要是在弛豫铁电单晶体、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。（1）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合而成的材料。压电复合材料比原来的单相材料要复杂，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。压电复合材料是为了满足水听器的性能要求而得到发展的，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。

但仍存在以下问题：极化处理工艺，复合材料在较高压力下的退极化问题，压电复合材料除外的其他耦合模式的开发与应用、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。

（2）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。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。近些年来，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。

（3）无铅压电陶瓷

目前，无铅压电陶瓷的研究极为活跃，根据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发展材料的趋势之一。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。

四、压电材料的实际应用

（1）生物领域

将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压电陶瓷来实现生物仿生；纳米发电机用氧化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液流动产生的机械能转变为电能，供给纳米器件来检测细胞的健康状况PVDF薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中。

（2）军事领域

压电材料能在水中产生、接受声波, 用于水下探测、地球物理探测、声波测试等方面；PZT薄膜因其热释电效应而应用在夜视装置、红外探测器上；利用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动控制；压电复合材料用在压力传感器检测机身外情况和卫星遥感探测装置中。

（3）光电信息领域

压电材料具有电光效应、非线性光学效应、光折变效应等光电特性, 在光电方面的应用有声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等；利用压电材料的压电效应和热释电效应可以对外界产生的信号进行处理、传输、储存, 用在机器人和其它智能结构中, 用PVDF压电材料制成触觉传感器已能感知温度、压力及识别边角棱等几何特征。

【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] 盖学周.压电材料的研究发展方向和现状[J].中国陶瓷,2008,5(44):9-13

[7] 张传忠.压电材料的发展及应用[J].压电与声光,1993,3(15):64-10

[8] 钟俊辉.国外压电材料发展概况[J].电子材料,1995(10):1-5

[9] 胡南,刘雪宁,杨治中.聚合物压电智能材料研究新进展[J].高分子通报,2004(5):75-82

[10] 刘仁鑫,王万章.压电材料在汽车技术中的应用[J].拖拉机与农用运输车,2007,5(34)4-5

[11] 穆健,李淑红,张春雷.压电材料在柔性结构振动控制中的应用[J].聊城大学学报,2004,3(17):33-36

[12] 李传兵,廖昌荣,张玉璘等.压电智能结构的研究进展[J].压电和声光,2002,1(24):44-49

[13] 李月明,程亮,顾幸勇等.高居里温度压电材料的研究进展[J].陶瓷学报,2006,3(27):309-315