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6.2 压电材料;电介质材料;;压电效应:在20种晶体上施加压力、张力、切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷。
热释电效应:10种极性晶体具有自发极化,晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷,这一现象称为热释电效应
铁电效应:极性晶体具有自发极化,且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征,宏观的表现就是具有电滞回线。
2.压电、热释电和铁电效应的关系
A.电介质(绝缘体)与导体不同,带电粒子被束缚在固定位置上,在电场作用下,仅能作微小的位移,即产生电极化,但不产生电流,称这种性质为介电性.;B.极性晶体与非极性晶体
在晶体的32种对称群中,有11种具有对称中心,晶格上为非极性原子或分子,在电性上是完全电中性的,称为各向同性介电体.另有20种结构的晶体,其结构上无对称中心,在压力作用下可产生极化现象,此即压电效应.;
C.热释电效应与铁电效应的实质
两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时,自发极化偶极矩发生变化,从而使晶体表面出现束缚电荷,即热释电效应;
自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向,此即铁电效应.;D.压电、热释电和铁电效应的关系
;6.2.1 压电效应;;;极化方向;压电效应可逆性 ;压电材料的性能指标
;1、压电常数d33;2、机电耦合系数Kp;伸缩振动:极化方向与电场方向平行时产生的振动。
包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
切变振动:极化方向与电场方向垂直时产生的振动。
包括平面切变振动、厚度切变振动。
纵向效应:弹性波传播方向与极化轴平行。
横向效应:弹性波传播方向与极化轴垂直。;Kp;3、机械品质因数Qm;4、频率常数N;6.2.2 压电材料简要发展历史;4.1954 年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅(PZT) 陶瓷的具有良好的压电性能。在以后的30 年间,PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料,是压电换能器的主要功能材料。
5.随着电子工业的发展,对压电材料与器件的要求就越来越高了,二元系PZT已经满足不了使用要求,于是研究和开发??能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。;压电材料应用:;压电材料分类:;石英晶体化学式为SiO2,是属三方晶系的氧化物单晶体结构。天然结构的石英晶体外形是一个六角柱状;石英晶体各个方向的特性是不同的
x轴(1轴):经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴
y轴(2轴) :与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴
z轴(3轴) :称为光轴
纵向压电效应:通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。
横向压电效应:而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。
而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 ; 石英晶体
(a) 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片 ; 若从晶体上沿y方向切下一块晶片,当沿电轴x方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 ;若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx,其大小为 ; 当石英晶体沿z轴方向作用力时,由于晶体沿x轴方向和y轴方向产生同样的变形,因此沿z轴方向施加作用力时,石英晶体不会产生压电效应,即dz=0; 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图2是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。 图中“+”代表硅离子Si4+, “—”代表氧离子O2-。 ;当石英晶体未受外力作用时:
正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩μ1、 μ2、μ3。
μ =ql
q为电荷量,l为正负电荷之间距离。
此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零。
即:μ1+ μ2+ μ3=0
所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。 ; 当晶体受到沿x轴方向的压力作用时:
晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于μ1的减小和μ2、μ3的增加而不等于零。
在x轴的正方向出现负电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。 ; 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时:
晶体的变形如图所示。 μ1增大, μ2、 μ3减小。
在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为正电荷。
在y轴方向上仍不出现电荷。 ; 如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量
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