压电材料综述.doc

压电材料 1引 言 材料从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类，其中结构材料以其强度、韧性、硬度、弹性等力学特性为应用依据，功能材料以其电、磁、光、声、热等物理性能为基础，用以制作有特殊功能的器件。压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域。 1880 年居里兄弟发现，在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使石英晶体表面出现电荷，并且电荷的密度与施加外力的大小成比例，这就是压电体的正压电效应，从此便开始了压电学的历史。石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 自出现压电材料以来, 因其独特性能,逐渐成为材料领域中的重要组成部分。随着电子、导航和生物等高技术领域的发展, 人们对压电材料性能的要求越来越高。目前, 研究和开发压电材料主要是从老材料中发掘新效应, 开拓新应用 从控制材料组织和结构入手, 运用新工艺制备各种新型压电材料。 近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们的关注, 压电材料是一种节能型环保材料, 绿色安全, 不会产生有毒有害的残留物质, 符合可持续发展的要求。压电发电是依靠外界振动使压电材料发生变形而发电, 其可利用的振动源无处不在, 其应用不受场地的限制, 也不需要专设场地, 其应用的伸缩性及活动性强。同时利用压电材料制作的压电发电装置结构简单, 易于实现, 成本低, 可大型化批量生产。压电发电是一种绿色环保的新能源发电技术, 具有很好的发展前景, 必定会是将来新能源开发工程中的一个重要部分。 压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落, 人们几乎每天都有涉及到压电的应用。例如，香烟、煤气灶、热水器等的点火要用到压电点火器 电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器。 银行、商店和安全必威体育官网网址场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器。家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电S A W 滤波器、压电变压器；压电风扇、收录机也要用到压电微音器、压电喇叭等等。 2压电效应的原理 压电晶体中, 正负离子排列的不对称和晶胞正负电荷重心的不重合形成电偶极矩, 这些电偶极矩在某些区域内方向一致成为电畴结构, 如图1 所示。电畴在晶体上杂乱分布, 其极化效应相互抵消, 材料内极化强度为零, 被直流电场极化后的电畴极化方向趋于同一方向, 如图2( a) 所示, 当外力作用到压电材料上引起变形, 材料内部正负束缚电荷的间距变小, 极化强度也变小, 原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放, 出现放电现象, 称为正压电效应；如图2( b) 所示, 在压电材料两极加一定强度电场,片内的正负电荷间距变大, 极化强度也变大, 电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象, 电荷在电路中移动可对外输出机械能, 称为逆压电效应。 3材料分类 3.1无机压电材料 　　分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传 感器的各种压电器件性能的改善和提高。压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。相比较而言，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。石英等压电单晶压电性弱，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。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究