压电材料、原理、应用.pptxVIP

6.2压电材料

电介质材料

电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。

电介质材料的主要效应：

压电性-------压电效应

热释电性-----热释电效应

铁电性--------自发极化与铁电体

32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。

所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。

自发极化

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．

极性晶体的极化可能是自发产生的,此时在结构中产生永久偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化

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

介电体

压电体

热释电体

铁电体

6.2.1压电效应

正压电效应：在极性晶体上施加压力、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。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”。

逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。

力

极化方向

压电效应可逆性

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换

压电材料的性能指标

压电常数d33

机电耦合系数Kp

机械品质因数Qm

频率常数N

1、压电常数d33

压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：

式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；

D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。

2、机电耦合系数Kp

机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：

或

压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。

如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；

薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；

圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。

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

K33

Kt

K15

K31

3、机械品质因数Qm

工业上很多压电元件是利用谐振效应而形