压电材料、原理、应用

1、6.2 压电材料,电介质材料,电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。,电介质材料的主要效应： 压电性-压电效应 热释电性-热释电效应 铁电性-自发极化与铁电体,32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。,所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。,自发极化,压电效应：在20种晶体上施加压力、张力、切向力时

2、，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。 热释电效应：10种极性晶体具有自发极化，晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应 铁电效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线。 压电、热释电和铁电效应的关系 电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子被束缚在固定位置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电极化，但不产生电流，称这种性质为介电性,极性晶体与非极性晶体 在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各向同性介电体另有20种结构的晶体，其

3、结构上无对称中心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应,极性晶体的极化可能是自发产生的,此时在结构中产生永久偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化,C热释电效应与铁电效应的实质 两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，从而使晶体表面出现束缚电荷，即热释电效应； 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应,D压电、热释电和铁电效应的关系,介电体 压电体 热释电体 铁电体,6.2.1 压电效应,正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正

4、负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”。 逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。,力,极化方向,压电效应可逆性,利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换,压电材料的性能指标,压电常数d33,机电耦合系数Kp,机械品质因数Qm,频率常数N,1、压电常数d33,压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：,

5、式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力； D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。,2、机电耦合系数Kp,机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：,或,压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。 如

6、对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。,伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。 包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。 切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。 包括平面切变振动、厚度切变振动。 纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。 横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。,Kp,K33,Kt,K15,K31,3、机械品质因数Qm,工业上很多压电元件是利用谐振效应而形成的，比如压电滤波器、超声换能器、压电谐振器。当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频率f

7、r一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。Qm便是描述这种能量损耗的参数 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数Qm的定义式是：,其中： fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容,4、频率常数N,对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即频率常数N。,N=frl,其中： fr为压电振子的谐振频率； l为压电振子振动方向的长度。,薄圆片径向

8、振动,Np=frD,薄板厚度伸缩振动,Nt=frt,细长棒K33振动,N33=frl,薄板切变K15振动,N15=frlt,D为圆片的直径,t为薄板的厚度,l为棒的长度,lt为薄板的厚度,6.2.2 压电材料简要发展历史,1.1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。 2.1921 年，J.Valasek 发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。 3.1941-1949 年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。,4.1954 年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅（PZT） 陶瓷的具有良好

9、的压电性能。在以后的30 年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。 5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。,压电材料应用：,机-电耦合之间的纽带！ 作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用 利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用 频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电 加速器，变压器等,压电材料分类：,压电单晶体：有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾

10、、硫酸锤等)； 多晶体压电陶瓷：有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。 高分子压电材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm),石英晶体化学式为SiO2，是属三方晶系的氧化物单晶体结构。天然结构的石英晶体外形是一个六角柱状,6.2.3 石英晶体,1 石英晶体的压电效应,石英晶体各个方向的特性是不同的 x轴（1轴）：经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴 y轴（2轴） ：与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴 z轴（3轴） ：称为光轴 纵向压电效应：通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压

11、电效应称为“纵向压电效应”。 横向压电效应：而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。,石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为,d11x方向受力,x方向产生电量的压电系数,若在同一切片上，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qx，其大小为,式中：d12y轴方向受力，x方向产生电量的压电系数， 根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。,当

12、石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即dz=0,石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图2是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“+”代表硅离子Si4+， “”代表氧离子O2-。,2 石英晶体产生压电效应的微观机理,图2,图1,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1、 2、3。 =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：

13、1+ 2+ 3=0 所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。,当晶体受到沿x轴方向的压力作用时： 晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于1的减小和2、3的增加而不等于零。 在x轴的正方向出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时： 晶体的变形如图所示。 1增大， 2、 3减小。 在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。 在y轴方向上仍不出现电荷。,如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 这表明

14、沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。,dz=0,石英晶体的特点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,晶体具有压电性的必要条件是：晶体不具有对称中心。 所有铁电体都具有压电效应和热释电效应。,6.2.4 压电陶瓷,压电陶瓷：是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，一般多晶体压电材料。压电陶瓷利用其材料在机械应

15、力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。,铁电材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。,铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。,铁电陶瓷具有压电效应,在陶瓷上施加外电场后，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方

16、向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。,压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。,对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴（3轴），垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x （1轴）或y轴（2轴）。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量qz与作用力Fz成正比，即,式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F 作用力。,压电陶瓷在受到沿

17、y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量qz与作用力Fy、Fx也成正比，即,式中 A z极化面面积； Ax、A y受力面面积； d32、d31压电陶瓷的横向压电系数,压电材料应具备以下几个主要特性： 转换性能。要求具有较高的压电常数d。 机械性能。机械强度高、刚度大。 电性能。高电阻率和高介电常数。 环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,压电材料特性,压电陶瓷材料： 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的

18、50倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr,Ti)O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,压电陶瓷材料分类,压电陶瓷 ： 1）一元系压电陶瓷； 2）二元系压电陶瓷； 3）三元系压电陶瓷； 4）四元系压电陶瓷。,锆钛酸铅 PbTiO3-PbZrO3(P

19、ZT),1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3- 钛酸铅PbTiO3- 铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。,钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷；锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷,一元系压电陶瓷,二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷,因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。,多元系Pb(TiZr)O3压电陶瓷,一些性能往往是互相克制的，如：,国内比较常见的PZT瓷料的性能KP=0.100.40，Qm=5003600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的

20、要求，但这些性能都不是最佳值。 1965年以来，人们通过在PZT的基础上再固溶另一种组分更复杂的复合钙钛矿化合物Pb(B1B2)O3而形成的三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。,Qm 增加 ，则KP减小 ； 增加，则tan增大 ； KP增加 ，则热稳定性。,常用压电材料性能参数,压电陶瓷的用途,压电陶瓷的用途,6.2.6 压电材料应用,压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。 能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造压电打火机、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，

21、以及超声清洗、超声医疗等。,传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。 驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。 频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器。,用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。 在这种打火机中，采用直径为2.5毫米，高度为4毫米的压电陶瓷，就可得到1020千伏的高电压。当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙

22、中就产生放电火花。 压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损，可以长久使用下去。,压电打火机,压电打火机的点火原理可应用于各个领域，特别是军事领域。 在反坦克炮弹上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。 压电陶瓷在非常强的机械冲击波的作用下，储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电流达10万安培以上的高压脉冲，可用于原子武器的引爆。,压电引爆装置,探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设备。其声波发射部分和接收部分用压电陶瓷制成。压电陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向水中发射声波。 声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，压电陶瓷接收部分收到回波后，即将它变换成电信号，经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。,压电探鱼仪,这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头，它发出的超声波在人体内传输，体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用。 反射回来的超声波经压电陶瓷接收器转换成电信号，并显示在屏幕上，据