45 压电性(材料物理性能)总结

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（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时
晶体沿 x 方向将产生压缩变形 , 正负离子的
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2、逆压电效应
当在电介质的极化方向上施加 电场(加电压)作用时，这些电 介质晶体会在一定的晶轴方向 产生机械变形，外加电场消失， 变形也随之消失，这种现象称 为逆压电效应(电致伸缩)。
δ
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－－－－－－－ + + + + +
极化方向
－－－－－－－ + + + + +
极化方向
自由电荷
－ － － － － + + + + + + +
如硫化镉、氧化 锌等。还有一些 以有机高分子化 合物制成的薄膜 压电材料， 特点是具有良好的成型性和 柔顺性，加工也比较简单， 可制成大面积薄膜，其中压 电性最强的是聚偏二氟乙烯
是重现性和一致 性较差，均匀性 和机械强度不够 理想，限制了它 在更高频率范围 的应用。
压电 薄膜
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3）电介质、压电体、热释电体、铁电体的关系
夹角的电偶极矩Pl、P2和P3。
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（a）不受力时 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P1、 P2、P3。 如图 （a） 所示。 因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距 离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢 量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面 不产生电荷, 即呈中性。
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C.石英单晶的压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。
石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结
构单元 ( 晶胞 ) 中，有三个硅离子 Si4+ 和六个氧 离子 O2 ，后者是成对的，所以一个硅离子和 二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们 将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的 正六边形排列，如图（ a ）所示，图中“ ” 代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º
电介质、压电体、热电体 和铁电体的关系
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二、压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 1、石英单晶压电效应 A.石英晶体结构 石英晶体各个方向的特性是不同的。 Z-Z轴—光轴，该轴无压电效应和无双折射现象； X-X轴—电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强； Y-Y轴—机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变 形最明显。 沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “纵向压电效应”, 石英晶体化学式为SiO2 单晶体结构：正六面体 沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为 “横向压电效应”。
－ － － － － + + + + + + + － － － － － －－－－－－－ 释放电荷 + + + + +
极化方向
正压电效应
－ － － － － + + + + + + + + + + + +
逆压电效应
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3、压电体
能产生压电效应的晶体就叫压电体。
2007报道，澳大利亚的Adam Best博士开发出一种发电 材料，能利用衣服发电。 这项技术主要是运用“压电效应”，将这种材质 编入衣服布料内，当我们穿着它活动，压折或扭曲到 衣服时便会产生电流，然后储存进镶嵌在衣服内的软 式蓄电池里，就可以拿来为行动电话或是MP3充电。
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1）压电体的结构特点 不具有对称中心的晶体，质点排列不对称，在应力作用下，它们就受 到不对称的内应力，产生不对称的相对位移．结果形成新的电矩，呈现 出压电效应。 + + + + -
+
+
-
-
表示晶体极性链的两 种方法
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纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
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+
+
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+
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+
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极 化 轴 C
铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因 而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。
介电体 压电体
热电性:含有固有电偶 极矩的极性晶体，由 于温度变化引起电极 化状态的改变,当均匀 加热时,能够产生电荷。 这种偶极子的效应称 为热电性，具有热电 性的物体叫热电体
热释电体
铁电体
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B.石英单晶片的压电效应
从晶体上沿 y 方向切下一块如图（c）所示晶 片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其大小为： qx = d11 fx d11—x方向受力的压电系数; fx—作用力。
在同一切片上 , 沿机械轴 y 方向施加作用力 fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为： qy=d12 fy d12——y 轴 方 向 受 力 的 压 电 系 数 , d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
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电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其符号如图（a） 和（b）所示。拉应力时为正，压应力时 为负。
在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用 力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电 荷qy, 其符号如图（c）和（d）所示。 拉应力时为正，压应力时为负。
4.5 压电性
内容简介 一、压电效应及压电体 二、压电机理 三、压电振子 要求： 理解压电效应的概念与机理 理解压电性与晶体结构的关系
理解压电振子的作用
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一、压电效应与压电体
压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
1、压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生 符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不 带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
+
+
固 有 偶 极 子
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正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
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2)常见的压电材料
种类 压电 单晶 材料 特点 缺点 培养单晶比较困 难，成本较高
石英、磷酸二氢 重现性好、稳定性高， 铵、锗酸铋等
压电 陶瓷
钛酸钡、钛酸铅、压电陶瓷是现有压电材料中 锆钛酸铅(PZT) 机电耦合系数最大的。它制 造工艺简单，价格低廉，容 易制成任意形状，尺寸不受 限制，而且可以通过成分和 工艺的适当调整和选择来改 变其各项性能，