压电效应也压电材料论文

压电效应与压电材料

摘要：06年是居里皮尔与杰克斯发现压电效应（piezoelectric effect）的一百周年。压电效应是指某些电介质当沿着一定方向对其施力使它变形其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态的现象。压电材料就是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，利用压电材料的特性可实现机械振动（声波）和交流电的相互转换。压电材料在生活中广泛应用，为人民服务，创造美好的生活。

关键词：压电效应，压电晶体，压电陶瓷，换能器

引言：当您将钮轻轻一拧，煤气灶迅速燃起蓝色火焰，您可曾意识到是什么带给您的这份便利呢？将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，电流表的指针也跟着发生摆动，竟然产生了电流，岂非咄咄怪事？其实，这是压电陶瓷，一种能将机械能和电脑相互转换的功能陶瓷材料。这种奇妙的材料已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

1、压电效应概述

1.1压电效应的定义：某些电介质当沿着一定方向对其施力使它变形其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态。我们把这种现象称为压电效应。

1.2压电效应分类压电效应分为正压电效应和负压电效应。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。通过此过程把机械能转化成电能的现象称为正压电效应负压电效应。当在电介质极化方向施加电场引起晶体机械变形的现象称为负压电效应。它是压电效应的逆效应。

其产生的原因是压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下 其内应力和形变都会发生周期性变化从而产生机械振动。也称为电致伸缩效应。

1.3压电效应的特性与作用 由压电效应原理可知，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。因此压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。

1.4压电效应的历史和发展压电效应是1880年由法国著名物理学家，放射学先去皮埃尔•居里先生和雅克•保罗•居里发现的。他们发现某些晶体特别是石英等受到挤压或者拉伸力的作用后，会在相对的两个平面上产生异号电荷，且密度与电压成正比。一旦电荷出现，放点过程的发光便相伴而生。由此可知，当石英晶质体绵延几公里的时候，震前上百巴的应力变化足以造成百万伏的触发电压，低空的放点发光便在情理之中。经过一百多年的研究，人们发现压电效应有两种机械能转变为电能是正效应，相反为逆效应。而且有20多种晶体均含有压电效应。人工已经合成了大量的性能更佳的压电陶瓷材料，不仅发现压电材料在机械能 电能、热能、光能之间有相互转换的良好关系，还发现人体组织、毛发和骨骼都有生物压电效应。我们日常使用的打火机、音响、手机、电子表等等都使用了压电材料。目前这种材料制成的产品已广布于各个领域。

2、压电晶体

2.1什么是压电晶体 有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶 α-石英 是一种有名的压电晶体。

2.2晶体有无压电效应的判断 晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩极化强度等于零，晶体对外不呈现极性。而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性另外一些晶体由于具有中心对称的结构。无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。

2.3压电晶体的功能 (1)压电效应 当外力加于晶体上时 晶体发生形变 导致在受力的两个晶面上出现等量异号的电荷。压力产生的极化电荷与拉力产生的极化电荷的方向相反。极化电荷的多少与外力引起的形变程度有关。压电效应产生的原因是 在外力作用的方向上 由于晶体发生形变造成晶格间距的变化 使得晶粒的正负电荷中心发生分离 从而产生极化现象。(2)电致伸缩效应 压电晶体在电场力的作用下发生形变的现象 叫做电致伸缩效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是 压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下 其内应力和形变都会发生周期性变化 从而产生机械振动。(3)热电效应 某些压电晶体通过温度的变化可以改变极化状态 从而在某些相对应的表面上产生极化电荷 这种现象叫做热释电效应。反之 这种晶体在外电场作用下 其温度会发生显著变化 这种现象叫做电生热效应。热释电效应的发生源于晶体的各向异性 是由于晶体在不同方向上的线膨胀系数不同而引起的。

2.4常见压电晶体材料 闪锌矿 zincblende 、钠氯酸盐 sodiumchlorate 、电气石 tourmaline 、石英 quartz 、酒石酸 tartaricacid 、蔗糖 canesuger 、方硼石 boracite 、异极矿 calamine 、黄晶 topaz 及若歇尔盐 Rochellesalt 。这些晶体都具有非晶方性 anisotropic 结构 晶方性 isotropic 材料是不会产生压电性的。

2.5压电晶体的常见应用

2.5.1 压电陶瓷 压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器 就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性 向其上施加力 使之产生十几kV的高电压 从而产生火花放电 达到点火的目的。压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。它是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的 差不多十年之后 贾菲 Jaffe 等又发现PbTi03-PbZrO2系 即所谓PZT系 及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。特别是三元系压电陶瓷的出现 使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地 能满足多种电子仪器的要求 从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了。例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器 电声换能器 水声换能器 声表的波器件 电光器件 红外探测器件和压电陀螺等 都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。

2.5.2 压电性特异的多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强 从而得到了广泛应用。但作为大应边 高能换能材料 传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来 人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料做了大量工作 现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶 A=Zn2+,Mg2+ 。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95 压电陶瓷K33最高达0.8 其应变>1.7% 几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg 而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究 它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

参考文献：

[1] 许小红，武海顺，2002，压电薄膜的制备，结构与应用，北京，科学出版社。

[2] 张福学，2001，现代压电学（上册），北京，科学出版社

[3] 三思科学杂志，2005年第3期，15-18