功能材料学教案-第13章功能转换材料1.doc

第13章 功能转换材料（1） 13.1 压电材料 13.1.1 压电性 晶体的压电效应是1880年由P·居里和J·居里兄弟首次在石英晶体中发现的，他们观察到：如果对α石英晶体在某些特定方向上施加作用力，那么在与作用力方向垂直的平面上就会出现正、负电荷，这种现象被称为晶体的压电效应相反，如果将一块具有压电效应的晶体置于外电场中，电场的作用也会引起晶体的极化，而极化所伴随的正、负电荷中心的分离将会引起晶体的形变，这种现象被称为逆压电效应。 晶体受到力的作用而产生压电效应的机理可以用图13-1进行简要说明：（a）图表示晶体中的质点在某个方向上的投影，此时晶体不受外力作用，晶体中的正负电荷中心重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面不带电荷；（b）图表示晶体受到压缩应力作用的情形。此时，晶体中的正负电荷中心在外部压应力的作用下，出现了一定程度的分离，使整个晶体的总电矩不再为零，因而在晶体表面上就出现了正、负电荷；当晶体受到拉伸应力作用时，在晶体的同一表面上，晶体带电的符号与压应力的情况正好相反，如（c）图所示。 具有压电效应和逆压电效应的晶体通常被称为压电晶体，利用压电晶体，可以实现电能与机械能之间的相互转化。压电材料的这种性质，通常称为压电性。 图13.1 压电晶体产生压电效应的机理 压电效应通常在单晶体中才能表现出来。陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒在陶瓷内部不规则地排列着，因而陶瓷通常为各向同性材料，一般不显示压电效应。但是，经电场作用后的铁电陶瓷却可以产生压电效应。这是因为构成铁电陶瓷的晶体结构没有对称中心，正负电荷中心不重合，存在着极化轴和自发极化Ps。而且，材料的极化强度能够随外电场的转向而转向。当外电场去除之后，在材料内部还能保持一定的极化强度（即剩余极化强度Pr），如图13-2所示。利用铁电材料晶体结构的这种特性，可以在一定条件下（温度和时间），对已经烧成的铁电陶瓷，通过强直流电场处理，使其沿电场方向显示出一定的净极化强度，这一过程称为人工极化。经过人工极化处理后，烧结的多晶铁电陶瓷将由各向同性材料各向异性材料，并具有压电效应。 图13.2 铁电材料的电滞回线 13.1.2 压电材料的主要工程参数 1．机械品质因素 实际应用的压电器件，主要是利用压电晶片的谐振效应。如果向一个具有一定取向和形状的压电晶片输入电号，当信号的频率与晶片的机械谐振频率fr一致时，就会使晶片产生机械谐振，这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数Qm，Qm的大小与振动模式有关。 2．机电耦合系数 机电耦合系数综合反映了压电材料的性质，是实际工作中用得最多的参数。其定义为 K2 = 通过逆压电压电效应转换的机械能 / 输入的电能 或 K2 = 通过正压电压电效应转换的电能/ 输入的机械能 （13-1） 由于压电振子储存的机械能与振子的形状和振动模式有关，具有不同的形状和振动模式的系统机电耦合系数可根据条件推出具体表达式。 13.1.3 压电晶体 1．石英晶体 在压电材料中，研究得比较早的是石英晶体，它的机电性能稳定，没有内耗，在频率稳定器、扩音器、电话、钟表等场合都有广泛的应用。 2．铌酸锂（LANbO3）晶体 此外，酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂、铌酸锂、碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。其中，使用最多的是铌酸锂（LANbO3）晶体。LiNbO3属畸变的钙钛矿结构，密度为4.64 g/cm3，熔点为1253℃。刚生长出来的LiNbO3晶体是多电畴的。为使其单畴化，要加热到其居里点（1210℃）附近并通以直流电。LiNbO3的机电耦合系数大，传输损耗小，具有优良的压电性能。 3．压电半导体 近年来，在微声技术方面，用压电半导体来制造换能器发展很快，主要的压电半导体材料有CdS，CdSe， ZnO等ⅡB-VIA族化合物及GaAs，GaSb，InAs等IIIA-VA族化合物。这些化合物半导体大都属于闪锌矿或纤锌矿结构。目前，在微声技术上用得最多的是CdS，CdSe和ZnO。 4．压电薄膜 压电晶体作为块体材料已在机电转换方面被广泛使用，为了使它们能用于高频及更广泛的领域，需制成压电薄膜。现已制备出铌酸锂、锆钛酸铅半导体压电薄膜。 13.1.4 压电陶瓷 1．钛酸钡（BaTiO3） 钛酸钡是第一个陶瓷铁电体，其熔点是1618℃。室温下为铁电晶体，具有四方结构。在120℃时，转变为立方晶相，铁电性随之消失。在1460℃以上时，又转变为六角非铁电相。除了室温下的四方铁电相外，钛酸钡还有两个铁电相，即0~-90℃温度范围中存在的斜方铁电相和在-90℃以下温度存在的三方铁电相。 BaTiO3陶瓷成为压电陶瓷，但极化过程不能使所