压电效应
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压电效应(Piezoelectric Effect)
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什么是压电效应[1]
压电效应是指某些电介质在外力作用下发生形变时,电介质的两边表面上会产生电荷积累和电压的现象。
压电效应的分类[2]
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应:
①正压电效应。是指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。
②逆压电效应。是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形振动的现象,又称电致伸缩效应。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振"。
利用逆压电效应,对压电材料施加一定的交变电压信号,使它产生形变而推动空气发出声音;将压电材料的逆压电效应和正压电效应相结合,可完成电信号的传输和滤波等。
压电效应的应用[3]
压电效应在材料方面的应用,一般具有钙钛矿、钨青铜、铋层状等结构的材料能产生压电效应,这些材料的形状一般呈粉体、纤维状、薄膜或块状,按组成组元分为压电单晶、压电陶瓷(压电多晶)、压电聚合物、复合压电材料等。
1.压电晶体
较早使用压电晶体有石英晶体、罗息尔盐、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵(ADP)、酒石酸乙烯二铵(EDT)、酒石酸二钾(DKT)和硫酸锂等,由于陛能上的缺陷,仅有石英晶体仍是最重要,也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外,性能好并且使用量大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3),它们大量地用作声表面波(SAW)器件。近年来,对弛豫型铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(1 − x)Pb(Mg1 / 3Nb2 / 3)O3 − xPbTiO3(缩写为PMN—PT)的研究非常引人关注。
总体而言,压电单晶压电性弱,介电常数很低,受切型限制存在尺寸局限,但稳定性很高,机械品质因子高,多用来作标准频率控制的振子、高选择性(多属高频狭带通)的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
2.压电陶瓷
与压电单晶相比,压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状,但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差,因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用,但对高频、高稳定应用不理想。
BaTiO3是最早发现的压电陶瓷,但存在谐频温度特性差的缺点。当用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba,可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性,故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天,仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3,电陶瓷。
像BaTiO_3的单元系压电陶瓷,还有PbTiO3和PbZrO3等。PbTiO3陶瓷是一种钙钛矿结构的材料,它具有居里温度高(490℃)、各向异性大(c/a=1.064)和介电常数小(ε=200)等特点。另外,它的谐频温度特性也比较好,并且频率常数比PZT高,所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO3压电陶瓷,因为PbTiO3陶瓷烧结后,冷却到居里点(490℃)时易出现微裂纹,甚至破碎。所以常采用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb对其进行改性,使其具有良好的压电性能 。
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的机电耦合系数高,温度稳定性好,并且有较高的居里温度(~300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb,或者通过添加Nb、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。
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陛、显著的低介电常数、柔性、低密度、对电压的高度敏感陛、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压电性强、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匹配更好的换能器。
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,通常见到的是由压电陶瓷(如PZT)和聚合物(如聚偏氟乙烯或环氧树脂)坌且成的两相复合材料。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缺点,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陛,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(如PMN-PT)、多元体系复合材料(如PZT-PVDF、PLN—PMN—PZT、PLN—PMN—PZT)以及高居里温度压电材料(如BiScO3 − PbTiO3、(1 − x)LiNbO3 − x(Na,K)(NbyTa1 − y)、PbxBa1 − xNb2O3 + TiO2 + Me2 + )、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷材料(如钛酸铋钠)等方面。