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壓電效應

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壓電效應(Piezoelectric Effect)

目錄

什麼是壓電效應[1]

  壓電效應是指某些電介質在外力作用下發生形變時,電介質的兩邊錶面上會產生電荷積累和電壓的現象。

壓電效應的分類[2]

  壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應:

  ①正壓電效應。是指當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個錶面上產生符號相反的電荷;當外力撤去後,晶體又恢復到不帶電的狀態;當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。

  ②逆壓電效應。是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形振動的現象,又稱電致伸縮效應。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(決定於晶片的尺寸)相等時,機械振動的幅度將急劇增加,這種現象稱為“壓電諧振"。

  利用逆壓電效應,對壓電材料施加一定的交變電壓信號,使它產生形變而推動空氣發出聲音;將壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應相結合,可完成電信號的傳輸和濾波等。

壓電效應的應用[3]

  壓電效應在材料方面的應用,一般具有鈣鈦礦、鎢青銅、鉍層狀等結構的材料能產生壓電效應,這些材料的形狀一般呈粉體、纖維狀、薄膜或塊狀,按組成組元分為壓電單晶、壓電陶瓷(壓電多晶)、壓電聚合物、複合壓電材料等。

  1.壓電晶體

  較早使用壓電晶體有石英晶體、羅息爾鹽、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨(ADP)、酒石酸乙烯二銨(EDT)、酒石酸二鉀(DKT)和硫酸鋰等,由於陛能上的缺陷,僅有石英晶體仍是最重要,也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等頻控元件的壓電材料。除了石英之外,性能好並且使用量大的壓電晶體是鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3),它們大量地用作聲錶面波(SAW)器件。近年來,對弛豫型鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(1 − x)Pb(Mg1 / 3Nb2 / 3)O3xPbTiO3(縮寫為PMN—PT)的研究非常引人關註。

  總體而言,壓電單晶壓電性弱,介電常數很低,受切型限制存在尺寸局限,但穩定性很高,機械品質因數高,多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性(多屬高頻狹帶通)的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。

  2.壓電陶瓷

  與壓電單晶相比,壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀,但機械品質因數較低、電損耗較大、穩定性差,因而適合於大功率換能器和寬頻濾波器等應用,但對高頻、高穩定應用不理想。

  BaTiO3是最早發現的壓電陶瓷,但存在諧頻溫度特性差的缺點。當用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba,可以改進BaTiO3陶瓷的溫度特性,故在廣泛使用PZT壓電陶瓷的今天,仍有部分壓電換能器採用改性的BaTiO3,電陶瓷。

  像BaTiO_3的單元系壓電陶瓷,還有PbTiO3PbZrO3等。PbTiO3陶瓷是一種鈣鈦礦結構的材料,它具有居裡溫度高(490℃)、各向異性大(c/a=1.064)和介電常數小(ε=200)等特點。另外,它的諧頻溫度特性也比較好,並且頻率常數比PZT高,所以是一種很有前途的高溫高頻壓電材料。但是用常規方法很難獲得緻密的純PbTiO3壓電陶瓷,因為PbTiO3陶瓷燒結後,冷卻到居裡點(490℃)時易出現微裂紋,甚至破碎。所以常採用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb對其進行改性,使其具有良好的壓電性能 。

  鋯鈦酸鉛壓電陶瓷簡稱PZT陶瓷,是壓電陶瓷材料中用得最多最廣的一種。PZT的機電耦合繫數高,溫度穩定性好,並且有較高的居裡溫度(~300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb,或者通過添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素改性後,可以製成許多不同用途的PZT型壓電陶瓷。

  3.壓電高聚物

  與壓電陶瓷和壓電晶體相比,壓電聚合物具有高的強度和耐衝擊陛、顯著的低介電常數、柔性、低密度、對電壓的高度敏感陛、低聲阻抗和機械阻抗、較高的介電擊穿電壓,在技術應用領域和器件配置中占有其獨特的地位。以聚偏氟乙烯(PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜壓電性強、柔性好,特別是其聲阻抗與空氣、水和生物組織很接近,因此PVDF在許多技術領域都有應用,特別是用於製作液體、生物體及氣體的換能器,可獲得比用其它壓電材料製作的阻抗匹配更好的換能器。

  4.壓電覆合材料

  壓電覆合材料是由兩相或多相材料複合而成的,通常見到的是由壓電陶瓷(如PZT)和聚合物(如聚偏氟乙烯或環氧樹脂)坌且成的兩相複合材料。這種材料兼有壓電陶瓷和聚合材料的優點,與傳統的壓電陶瓷或與壓電單晶相比,它具有更好的柔順性和機械加工性能,剋服了易碎和不易加工成形的缺點,且密度小,聲速低,易與空氣、水及生物組織實現聲阻抗匹配。與聚合物壓電材料相比,它具有較高的壓電常數和機電耦合繫數,因此靈敏度很高。壓電覆合材料還具有單相材料所沒有的新特陛,如當壓電材料與磁致伸縮材料組成的複合材料具有磁電效應。

  目前壓電材料研究的熱點主要集中在弛豫型單晶(如PMN-PT)、多元體系複合材料(如PZT-PVDF、PLN—PMN—PZT、PLN—PMN—PZT)以及高居裡溫度壓電材料(如BiScO3PbTiO3(1 − x)LiNbO3 − x(Na,K)(NbyTa1 − y)、PbxBa1 − xNb2O3 + TiO2 + Me2 + )、細晶粒壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷材料(如鈦酸鉍鈉)等方面。

參考文獻

  1. 董躍清,晏雄.壓電導電型聚合物基減振複合材料研究進展[J].玻璃鋼/複合材料,2001(3)
  2. 項目6 石英晶體元件.貴州電子信息職業技術學院網路課程
  3. 閻瑾瑜.壓電效應及其在材料方面的應用[J].數字技術與應用,2011(1)
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