压电材料的物理特性及应用

压电材料的物理特性及应用压电材料是一类具有压电物理特性的电介质，被制成转换元件广泛应用于压电式传感器上。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。自然界中天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷和有机高分子材料都是压电效应比较明显的压电材料，其应用也很广泛。一、石英晶体的压电特性及其应用石英晶体俗称水晶，成分是二氧化硅（SiO2），它是一个正六面体，有三个坐标轴，Z轴是晶体的对称轴，称为光轴，在这个方向上没有电压效应；X轴称为电轴，垂直于X轴晶面上的电压效应最明显；Y轴称为机械轴，在电场力的作用下沿此轴方向的形变最显著。用水晶制作压电石英薄片，在交变电场中，这种薄片的振动频率稳定不变，因此被广泛应用于无线电技术中，用来控制频率。彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，以保证图像和声音的清晰度。装有压电晶体元件的仪器可以测试蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化，测量管道中流体的压力。压电晶体还被广泛应用于声音的再现、记录和传送。压电式加速度传感器是一种测试加速度的装置，主要由两块压电晶片、质量块、弹簧和基座构成。测量时，传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受到质量块惯性力的作用。根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即：F＝ma。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上，在压电晶片的两个表面上就产生交变电荷（电压），输出电量由传感器输出端引出，可以根据输出电荷测试出试件的加速度。如果在放大器中加进适当的积分电路，也可以测试试件的振动速度或位移。二、压电陶瓷的物理特性及其应用压电陶瓷是一种人工制造的多晶体的压电材料，属于铁电体类，具有类似磁畴的电磁结构。内部具有许多自发极化的电畴，在无外加电场时，各个电畴杂乱排布，极化强度相抵为零，没有压电特性；加外加电场时，电畴极化沿电场方向有序排列，当外加电场大到使极化饱和时，即所有的电畴都极化时，即使去掉外电场，电畴的极化方向也不变，剩余的极度强度也很大，这是压电陶瓷才具有的压电特性。由此可见，压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是具有机械能和电能互相转换功能的陶瓷材料。利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置；用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，进行超声清洗；还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷非常敏感，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，敏感程度甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，可用于声纳系统、气象探测、环境遥测、地震预测等。三、有机高分子的压电特性及其应用压电材料还有高分子类的，聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性，而且高温稳定性较好，主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制造。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件，利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。如今压电材料的研究和应用开发又有了新热点，一是细晶粒压电陶瓷，将基片做得更薄，提高阵列频率和机械强度，降低换能器的损耗和驱动电压，在换能器和传感器方面有较大优势；二是PbTiO3系压电材料，最适合制作高频高温压电陶瓷元件，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用；三是压电陶瓷-高聚物复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，它的接收灵敏度更高；四是多元单晶压电体，具有更优异压电性，这类材料的出现必将带来压电材料应用的飞速发展。