压电器件和材料.pdf

无机材料与人类文明进步 压电器件和压电材料 应耀 材料科学与技术学院 一、压电材料和压电效应 正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失； 逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。 这两种正逆压电效应统称为压电效应。 具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics ）。 二、压电性发现与发展 • 1880年，居里兄弟：皮尔（P·Curie ） 与杰克斯（J·Curie ）发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。 • 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende ）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate ）、电气石 （tourmaline ）、石英（quartz ）、 酒石酸（tartaricacid ）、蔗糖 （canesuger ）、方硼石（boracite ）、 菱锌矿（calamine ）、黄晶（topaz ） 及若歇尔盐（Rochellesalt ）。 对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应 Born in Warsaw on November 7, 1867 压电效应机理 • 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。 压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体 三、压电性的应用——压电器件 1. 压电陶瓷点火器 这是一种将机械力转换为电火花而点燃 燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开 创利用钛酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应 进行点火，但这种材料着火率不高，噪音 大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT ）压电 陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日 常生活、工业生产以及军事方面，用以点 燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。 • 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。 • 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。 2、压电换能器 压电换能器工作原理 超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ） 人类听不出超声波，但不少动物却有此本