压电材料、原理、应用

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1010·cm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①压电效应：在20种晶体上施加压力、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负电荷。②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③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。２．压电、热释电和铁电效应的关系Ａ．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．Ｂ．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”。自由电荷极化方向逆压电效应极化方向－－－－－－－+++++++释放电荷正压电效应力32种点群晶体不具有对称中心的晶体（21）极性晶体（10）压电效应热释电铁电非极性晶体（11）压电效应（10种）具有对称中心的晶体（11）+++++－－－－－－－－－－+++++释放电荷极性压电效应极化方向极化方向－－－－－－－+++++++非极性压电效应释放电荷压电效应可逆性压电元件机械量电量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N1、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：3333TdD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：转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K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。KpK33KtK15K313、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fr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：耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ))((222102raramffCCRffQ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=fr×l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。薄圆片径向振动Np=fr×D薄板厚度伸缩振动Nt=fr×t细长棒K33振动N33=fr×l薄板切变K15振动N15=fr×ltD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！①作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用②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、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。zxyo石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)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1111Fdqd11——x方向受力,x方向产生电量的压电系数zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)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2121Fbadqzxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)式中：d12——y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=0zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)yxzO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zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)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μ1、μ2、μ3。μ=qlq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：μ1+μ2+μ3=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μ1的减小和μ2、μ3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。1111Fdq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。μ1增大，μ2、μ3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。2121Fbadq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。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。yxzOdz=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。(a)(b)电场方向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。(a)(b)电场方向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