压电材料

压电材料的研究现状及其应用

摘要：简要介绍了压电材料的发展历史，详细叙述了压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料及

压电聚合物的发展状况，并对压电材料对日常生活的影响及其目前的研究热点做了概括。同

时也对压电陶瓷的电性能老化问题对压电陶瓷的理论研究和应用都具有很重要的意义。阐述

了压电陶瓷的老化机理, 研究了影响老化的因素如温度、压力、电场和生产工艺, 提出了防

止电性能老化、改善制品质量的措施。

一、概述

压电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术新材料,在信息激光、导航和生物等高技术领域应用广泛。压电陶瓷在现代功能陶瓷中占有非常重要的地位,具有广泛的用途。自19世纪80年代居里兄弟首先在石英晶体上发现压电效应后[1],

压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,2000 年全球压电陶瓷产品销售

额约达30亿美元以上,近几年压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良, 压电陶瓷的技术应用愈来愈广,而且随着电子、信息、航空航天高科学技术领域日新月异的发展, 压电陶瓷材料的制作技术和应用开发方兴未艾, 将越来越受到人们的

关注和重视。压电材料按物理结构分类如图1。1955 年发现锆钛酸铅

(Pb(Zr1-xTix)O3, 简称PZT),这类陶瓷都具有较好的压电性能[2]但是广泛应用的却只有少数几种,如石英,Rochelle 盐(KNT),CdS,ZnO,AlN, 酒石酸乙二胺(EDT), 磷酸二氢钾KDP, 磷酸二氢铵(ADP), 硫酸锂(Li2SO4·H2O); 钙钛矿型结构压电晶体:LiNbO3,LiTaO3,KNbO3,KTaO3;钨青铜结构:铌酸钡钠、铌酸锶钡、铌酸钾锂等；层状结构的钛酸铋(Bi4Ti3O12)、锗酸铋等;T13 BX4 (B=V、Ni、Ta;X=S,Se)和磷酸铝(AlPO4)等晶体。

二、压电材料的原理

压电效应

某些介质在机械力作用下发生电

极化和电极化的变化,这样的性质称为

压电效应[3]电极化的改变导致介质与极

化方向垂直的两端面出现等量反号的

束缚电荷变化,看起来这是由于压力造

成了电荷的变化,这就是压电性的由

来。介质具有压电性的条件是其结构不

具有对称中心, 在32 类点群中有20

类不具有对称中心,属于这20 类点群

的电介质才可能成为压电材料。不具有

对称中心的晶胞在应力作用下出现电

极化和表面束缚电荷的示意图如图2。

19 世纪末20 世纪初相继发现水晶和

酒石酸钠等材料具有压电性能, 并且

这些材料相继得到了应用。在20 种压电晶类中,石英、闪锌矿和纤锌矿虽然都没有对称中心,但却包含其他对称元素。这种晶体在某些应力下呈现极化,但在另一些应力下却不极化。以石英为例,沿(100)的应力会产生极化,而沿(001)的应力就不会引起极化。因此,具有压电性能。压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电

效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

三、压电材料的应用及展望

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。

换能器

1、换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件

压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应,而换能器设计则利用了聚合

物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动,利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点,研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件,如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用,如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视

系统等,随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件,采用了不同类型和形状的压电聚合物材料,如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等,以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点,最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中, 感知声场内的声压,且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡,从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。压电聚合物换能器在生物医学传感器领域,尤其是超声成像中,获得了最为成功的应用、PVDF 薄膜优异的柔韧性和成型性,使其易于应用到许多传感器产品中。

2、压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚

合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用,还需要进行大量研究。电子束辐照 P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力,从而为研制新型聚合物驱动器