4.5-压电性(材料物理性能)解析

1内容简介一、压电效应及压电体二、压电机理三、压电振子理解压电效应的概念与机理理解压电性与晶体结构的关系理解压电振子的作用要求：4.5压电性2一、压电效应与压电体某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。1、压电效应压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。3当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。2、逆压电效应δ4极化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++极化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++自由电荷释放电荷极化方向+++++－－－－－－－－－－－－++++++++++++－－－－－正压电效应逆压电效应5能产生压电效应的晶体就叫压电体。3、压电体2007报道，澳大利亚的AdamBest博士开发出一种发电材料，能利用衣服发电。这项技术主要是运用“压电效应”，将这种材质编入衣服布料内，当我们穿着它活动，压折或扭曲到衣服时便会产生电流，然后储存进镶嵌在衣服内的软式蓄电池里，就可以拿来为行动电话或是MP3充电。6--+++---++--++++++--++++极化轴C-++--+纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影表示晶体极性链的两种方法-+-+固有偶极子正电荷层与负电荷层交替排列-+-+-+-+不具有对称中心的晶体，质点排列不对称，在应力作用下，它们就受到不对称的内应力，产生不对称的相对位移．结果形成新的电矩，呈现出压电效应。1）压电体的结构特点72)常见的压电材料种类材料特点缺点压电单晶石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等重现性好、稳定性高，培养单晶比较困难，成本较高压电陶瓷钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。压电薄膜如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料，特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是聚偏二氟乙烯8电介质、压电体、热电体和铁电体的关系铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。3）电介质、压电体、热释电体、铁电体的关系铁电体热释电体压电体介电体热电性:含有固有电偶极矩的极性晶体，由于温度变化引起电极化状态的改变,当均匀加热时,能够产生电荷。这种偶极子的效应称为热电性，具有热电性的物体叫热电体9二、压电机理1、石英单晶压电效应石英晶体化学式为SiO2单晶体结构：正六面体石英晶体各个方向的特性是不同的。Z-Z轴—光轴，该轴无压电效应和无双折射现象；X-X轴—电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强；Y-Y轴—机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。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”,沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。A.石英晶体结构压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形所引起的。10从晶体上沿y方向切下一块如图（c）所示晶片,当在电轴x方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为：qx=d11fxd11—x方向受力的压电系数;fx—作用力。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qy,其大小为：qy=d12fyd12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。B.石英单晶片的压电效应11电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定。在电轴x方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其符号如图（a）和（b）所示。拉应力时为正，压应力时为负。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qy,其符号如图（c）和（d）所示。拉应力时为正，压应力时为负。12石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结构单元(晶胞)中，有三个硅离子Si4+和六个氧离子O2，后者是成对的，所以一个硅离子和二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的正六边形排列，如图（a）所示，图中“”代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º夹角的电偶极矩Pl、P2和P3。C.石英单晶的压电机理压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形所引起的。13（a）不受力时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P1、P2、P3。如图（a）所示。因为P=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P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。14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。如图（b）所示,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P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）x0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时15晶体的变形如图所示,P1增大,P2、P3减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。（c）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移。这一位移导致晶体发生形变。逆压电效应16材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。如图（a）所示。2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。A.压电陶瓷晶体结构17电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。如图（a）所示。B.压电陶瓷的预极化（a）在无外电场作用时,只有经过极化工序处理的陶瓷才能显示压电效应预极化：在压电陶瓷上加一个强直流电场,使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列完成预极化。1）预极化过程18电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。（b）在陶瓷上施加外电场时,注意：外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。19极化电场必须大于样品的矫顽场，通常为矫顽场的二、三倍。2）预极化的参数（a）极化电场E极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度320-420K（b）极化温度极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。（c）极化时间极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。一般极化时间从几分钟到几十分钟20极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化,当陶瓷材料受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应,将机械能转变为电能的现象,就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33F式中:d33——压电陶瓷的压电系数;F——作用力。C.石英单晶片的压电效应与压电机理注：正、逆压电效应的压电常数一样。21将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片,再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层,并作为两个极引出管脚,加以封装,就构成石英晶体谐振器。其结构示意图和符号如右图所示。例如压电振子是最基本的压电元件。元件的几何形状不同,形成各种不同的振动模式。三、压电振子及其参数1、压电振子压电振子：极化后的压电体221、压电常数它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。2、频率常数压电材料的频率常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。3、介电常数对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。2、压电振子的参数4、绝缘电阻压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。5、机械耦合系数在压电效应中，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。6、居里点压电材料开始丧失压电特性的温度。23（1）压电振子谐振频率阻抗频率反谐振谐振谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。A.谐振特性24压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率fm=谐振频率fr交变电场频率继续增大到fn，输出电流达最小值，fn叫最大阻抗频率=反谐振频率fa压电振子的阻抗特性曲线示意图B.谐振频率与反谐振频率当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。这一特定频率就是的固有频率,也称谐振频率。25C1C0L1RC.压电振子的等效电路等效电路由动态参数L1、C1、R1和并电容C0组成。L1为等效电感，单位mHC1为等效电容，单位fFR1为等效电阻，一般叫谐振电阻，单位Ω振子的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率有关26Nl=frl（2）频率常数机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数。压电材料的机械能与电能的耦合效应，定义为：由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。输入的总电能由电能转换的机械能或输入的总机械能由机械能转换的电能22kk（3）机电耦合系数N的单位为kHz·mfr谐振频率l振动方向的长度Ylfr21YNl21Nl，fr是设计振子形状的条件273.晶体的切型压电晶体通常按特殊的方式切割成具有某种几何形状，再在表面加上一对适当的电极，利用他的机械谐振性能与压电效应相耦合而成为压电谐振器。薄片状振子的切型如图所示。（a）（b）（c）284.压电振子的振动模式例是X切的一块石英薄片，在两面加上电极，图（a）。在不同频率上用交流电压激发各种模式的机械谐振。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。图（b）和（c）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。图（d）29各种振动模式可达到的频率范围振动模式频率1K10K100K1M10M100M1G弯曲振动长度振动轮廓振动径向振动厚度振动能阱振动声表面波30因为它有稳定的内部结构，所以振荡频率有很高的稳定性,不像一般的LC振荡电路那样易受环境的影响.石英晶体的固有振荡频率为5.谐振子的应用A.石英晶体振荡器31B.扬声器和拾音器32电压U=Fgh/A，其中，g是材料的压电电压常数，h是冲击距离，A是压电陶瓷的端面积C.压电陶瓷点火器