压电效应及其在材料方面的应用
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3、压电效应在材料方面的应用
在谐频温度特性差的缺点。当用Pb和Ca等 元素部分地取代Ba7FiO,中的Ba,可以改进
一般具有钙钛矿、钨青铜、铋层状等结 BaTiO,陶瓷的温度特性,故在广泛使用PZ
构的材料能产生J在电效应.这些材料的形状 T压电陶瓷的今天,仍有部分压电换能器采
一般呈粉体、纤维状、薄膜或块状,按组成组 用改。陀的BaTiOfK.电陶瓷。
年来,对弛豫型铁电单晶铌镁酸铅一钛酸铅
锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷,是压
电陶瓷材料中用得最多最广的一种。PZT的 机电耦台系数高,温度稳定性好,并且有较 高的居晕温度(~300。C)。用Sr、Ca、Mg等元 素部分地取{匕PZT中的Pb,或者通过添加N b、La,Sb、Cr、Mn等元素改性后,可以制成 许多不同用途的PZT型压电陶瓷【51。
元分为压电单晶、压电陶瓷(压电多晶)、压
tgzBa'FiOa的单元系压电陶瓷,还有f,bTj0,
电聚合物,复俞压电材料等。 3.1压电晶体
和PbZrO:等。PbTiO:陶瓷是一种钙钛矿结 构的材料,它具有居晕温度高(490。C)、各向异
较甲.使用压电晶体有石英晶体、罗息尔 性大(c/a=1.064)和介电常数小(£一200)等特
万方数据
D幻n刮tecInnology and alppIiealion数字技术与应用
1 01
压电效应及其在材料方面的应用
作者: 作者单位: 刊名:
英文刊名: 年,卷(期):
阎瑾瑜, Yan Jin-Yu 许昌广播电视大学,河南,许昌,461000;许昌广播电视中子专业学校,河南,许昌,461000
Abstract:The crystal structure witIl a。enter of鹪ymmetry produce a phenomena of electric discharge,but the reasons of piezoel ectric effects produced by materials with different structure are diverse.1lere.the reasons produced by three mainly piezoelectric cry stals(quartz,ceramic and PVDF)were analyzed.The developments of several main piezoelectdc materials are also introduced.
晶,然后经过机械滚压和拉伸而成为薄膜之 率控制的振子、高选择性(多属高频狭带通)
后,链轴上带负电的氟离了和带正电的氧离 的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
子分别被排列在薄膜表面的对应上下两边
3.2压电陶瓷
上(图4.b),可以形成尺寸为10-加“m的微
与压Hale Waihona Puke Baidu单晶相比,压电陶瓷压电性强、
晶偶极矩结构,义称为p形晶体,再在一定 介电常数高、可以加工成任意形状,但机械
现状UJ.安徽化工,2(110,3:4—6. 『51靳洪允.压电材料结构与性能Ⅱ】.陶瓷科
学与艺术.2005,3:26-32.
f61盖学周.压电材料的研究发展方向和现 aIJl.中国陶瓷,2008,5:9—13.
f71黄国平,李百明,肖勇等.压电材料的发展 和展望[J1.科技广场,2010,1:208-210.
晶区构成(图4.a)。非品区的玻璃化转变温度PMN—PT)的研究非常引人关注I…。
决定聚合物材料的机械性能,而微晶区的熔
总体而青,压电单晶压电性弱,介电常
融温度决定r材料的使用上限温度。它首先 数很低,受切型限制仔在尺寸局限,但稳定
经过熔融浇铸和退火处理,产生一定量的微 性很高,机械晶质因了高,多用来作标准频
T,压电效应
压电效应是当某些材料受到机械力而 产生拉伸或压缩时,其内部产生极化现象, 使材料相对的两个表面出现等量异号电荷 的现象,外力越大,则表面电荷就越多,这种 效应一般称做正压电效应。表面电荷的符号 视外力的方向析定(图1)。具有这种效应的材 料称之为压电材料。
当这些材料上加电场时,会产生机械形
盐、磷酸二氢钾(Ⅺ)P)、磷酸二氧铡ADP)、酒 点。另外,它的谐频温度杵性也比较好,并且
石酸乙烯二铵(EDT)、酒石酸二钾(DKT)和 频率常数比PZT高,所以是一种很有前途的
硫酸钾等,由予性能卜的缺陷,仅有石英晶体 高温高频压电材料。但是用常规方法很难获 仍是最重要,也是用量最人的振荡器、谐振 得致密的纯PbTi0压电陶瓷,因为PbTiO,陶
Key Words:Piezoelectric effectIPiezoelectric material
压电效应是在一定条件下实现机械能与 电能相互转化的现象。居里兄弟于1880年在石 英晶体的表面发现了这种效应,人们根据这 种效应研制成压电材料,现已广泛的应用于 传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域。
数字技术与应用 DIGITAL TECHNOLOGY AND APPLICATION 2011(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_szjsyyy201101067.aspx
研究热点。
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程应用『M1.北京:原子能出版社,2007. 【2l郁有文.传感器原理及工程应用【M】.西
安:西安电子科技大学出版社,2003.
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—81.
f4l裴先茹,高海荣.压电材料的研究和应用
器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除 瓷烧结后,冷却到居里点(490"C)时易出现
了石英之外,性能好并H使用量人的压电 微裂纹,甚至破碎。所以常采用Mn、W、Ca、
晶体是铌酸镡(I.iNbO,)和钽酸镡(LiTaO,), Bi、La和Nb对其进行改性,使其具有良好的 它们大量地用作声表面波(SAw)器件。近 压电性能【“。
图1在不同状态下材料表面的电荷分布
(a)拉伸状态
(b)压缩状态
变(伸长或缩短),如果是交变电场,则就会 交替出现伸长和压缩,即发乍机械振动。这 种现象称之为逆压电效应(电致伸缩效应)。
2、材料产生压电效应的原因
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巾心,但是由于材料 类型不同,产生压电效应的原因也有所差 别。下面分别以石英晶体、压电陶瓷和聚偏氟 乙烯PⅥ)F为例,解释压电效应产生的原因。
3.3压电高聚物 与压电陶瓷和压电晶体相比,压电聚合物 具有高的强度和耐冲击性、显著的低介电常 数、柔性、低密度、对电压的高度敏感胜、低声 阻抗和机械阻抗、较高的介电击穿电压,在技 术应用领域和器件配置中占有其独特的地位。 以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的压电高 聚物薄膜『玉电性强、柔性好,特别是其声阻抗 与空气,水和生物组织很接近,因此,_pVDF在 许多技术领域都有应用,特别是用于制作液 体、生物体及气体的换能器,可获得比用其它 压电材料制作的阻抗踞配更好的换能器≈。 3.4压电复合材料 压电复合材料是由两相或多相材料复合 而成的,通常见到的是由J丘电陶瓷(jII]PZT) 和聚合物(如聚偏氟乙烯或环氧树脂)组成的 两相复合材料。这种材料兼有压电陶瓷和聚 合材料的优点,与传统的压电陶瓷或与压电 单晶相比,它具有更好的柔顺性和机械加工 性能,克服了易碎和不易加工成形的钝点,且 密度小,声速低,易与空气,水及生物组织实 现声阻抗匹配。与聚合物压电材料相比,它 具有较高的压电常数和机电耦合系数,因此 灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料 所没有的新特性,如当压电材料与磁致伸缩 材料组成的复合材料具有磁电效应。 目前压电材料研究的热点主要集中在 弛豫型单晶(女[IPMN—PT),多元体系复合材 料(如PZT—PVDF、PLN—PMN—PZT、PLN —PMN—Pzr)以及高居里温度压电材料(如
温度和外电场作用下,维持一段时间之后,晶 品质因子较低、电损耗较大、稳定性差,因而
体内部的偶极矩进一步旋转定向,形成了垂 适合予大功率换能器和宽带滤波器等应用,
直于薄膜平面的碳一氟偶极矩固定结构(图 但对高频、高稳定应用不理想。
4.c),这种剩余极化使材料具有压电特型…。
BaTiO,是最早发现的t再电陶瓷,但存
(a) (a)不受力状态
Co) 图2石英晶体的压电模型
(b)受x轴方向力的作用
万方数据 1 00
数字技术与应用Digi诅I technology and application
丑一一一一 (c)
(c)受y轴方向力的作用
.学术论坛.
.E互Z盈强旨重Ⅺ
这种高聚物的结构是由微晶区分散予非 (1一x)Pb(Mg。Nb。)03--xPbTiO,(缩写为
2.1石英晶体 石英晶体是由硅离子和氧离子构成的正 六面体,在垂直于z轴的珂平面上的投影,等 效为一个正六边形排列。当石英晶体未受外 力作用时,正、负离子正好分布在正六边形 的顶角上,形成三个互成120。夹角的电偶极 矩P.、P,,P,,如图2.a所示。由于P=qL,q为电 荷量,L为正负电荷之间的距离。此时正负电 荷重心重合,电偶极的量和等于零,EPP.+P, +P,=0,所以晶体表面不带电荷,即呈巾型“。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用 时,晶体沿x轴方向产生收缩,正负离子的相 对位茕也发生变化,如图2.b所示,此时正负 电荷中心不再重合,即P,+P,+P,>O,在X轴 的正方向出现正电荷,在y方向电偶极距为 零,不出现电荷;当y轴方向受到压力作用
关键词:压电效应 压电材料
中图分类号:7rMl
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2011)01-0100-02
Piezoelectric effect and its application in materials
Yan Jin—Y11 Xuchang Radio and TV University,Xuchang 461000
时,正负离子的相对位置也发生变化,如图
2.c所示,此时,P.增大,P…P减小,在x轴正
方向为负电荷,在y方向电偶极距仍然为零. 当在X轴和y轴方向作用力的方向变化,电 荷极性也发生变化。当沿z轴方向施加作用 力,因为x和y方向变形完全相同,所以正负 电荷重心重台,电偶极矩的矢量和等于零。
2.2压电陶瓷 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3.a), 由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为 零,呈电中性,不具有压电杵陛。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 3.b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本 不变(图3.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】。 2.3 PVDF
·学术论坛·
压电效应及其在材料方面的应用
阉瑾瑜-.2 (1.许昌广播电视大学河南许昌461000I 2.许昌广播电视中等专业学校河南许昌461000)
摘要:中心不对称的晶体在压力作用会产生放电现象,但是不同的材料具有不同的晶体结构,致使产生压电效应的原因有所差
异,因此,对三种主要压电晶体结构(石英,陶瓷和PVDF’)压电效应产生的原因进行了分析,并简要介绍主要几类压电材料的发展。
BiScO,一PbTiO,、(1一x)LiNbO,一。(Na,K)(N b。Ta。,).Pb。Bal-YNb,03+Ti02+Me2+)、细 晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷材料(如钛酸 铋钠)等方耐“1。
4、结语 结合“i电效应的定义分析了压电晶体、
压电陶旋和压电聚合物产生压电效应的原 因,并介绍主要几类压电材料的发展睛况和