[worddoc]壓電效應(yīng)以及壓電材料的研究

1、壓電效應(yīng)以及壓電材料的研究動力與電氣工程SCENCE&TECHN0L0GY團(tuán)圓壓電效應(yīng)以及壓電材料的研究馬惠鋮(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院理工系西安710100)摘要:本文簡介了壓電效應(yīng)以及壓電材料,并簡述了其工作原理.關(guān)鍵詞:壓電效應(yīng)壓電材料中圖分類號:TM1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672379l(2010)l0(e)-0119-01目前,基于壓電效應(yīng)的傳感器已經(jīng)普及,并應(yīng)用于社會生產(chǎn)各個方面,因此對于壓電效應(yīng)以及壓電材料的基礎(chǔ)研究具有理論與實(shí)際意義.1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用變形時,內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在某些表面上產(chǎn)生電荷,當(dāng)外力去掉后,電介質(zhì)表面又重新回到不

2、帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng).反之,在電介質(zhì)極化方向上施加電場,它會產(chǎn)生機(jī)械形變,當(dāng)去掉外加電場后,電介質(zhì)變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng).在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)十分微弱.隨著對材料的深入研究,發(fā)現(xiàn)石英晶體,鈦酸鋇和鋯鈦酸鋇等材料是性能優(yōu)良的壓電材料.2壓電材料目前,在傳感器中常用的壓電材料有壓電晶體,壓電陶瓷和壓電半導(dǎo)體等.2.1壓電晶體(1)石英晶體:石英晶體即二氧化硅(Sio2),有天然石英晶體和人工石英晶體兩種.它的壓電系數(shù)d1.=2.31xl0C/N,在幾百度溫度范圍內(nèi),壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化,當(dāng)溫度達(dá)到575時,石英晶體完全失去了壓電性質(zhì),這就是

3、它的居里點(diǎn).石英的熔點(diǎn)為l750,密度為2.65x10婦/m,有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性質(zhì),可承受高大68MPa98MPa的壓力.鑒于石英晶體有上述性質(zhì)及靈敏度低,沒有熱釋電效應(yīng)(由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放的效應(yīng))等特性,石英晶體主要用來測量大量值的力或用于準(zhǔn)確度,穩(wěn)定性要求高的場合和用來制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器.(2)水溶性壓電晶體:最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉(NaKe?H4o6?4H2O),它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù),壓電系數(shù)d.=3X1o-9C/,但是酒石酸鉀鈉易于受潮,它的機(jī)械強(qiáng)度低,電阻率也低,因此只限于在室溫和濕度低的環(huán)境下使用.(3)鈮酸鋰晶體:1965年通過人工掉拉發(fā)法制成鈮酸鋰大

4、晶塊,鈮酸鋰(LiNbD)壓電晶體和石英相同,也是一種單晶體,為無色或淡黃色.由于它是單晶體,所以時間穩(wěn)定性遠(yuǎn)比晶體的壓電陶瓷高,在耐高溫的傳感器上有廣泛的應(yīng)用前景.但是,鈮酸鋰具有明顯的各向異性力學(xué)性能,與石英晶體相比它很脆弱,而且熱沖擊性很差,所以在加工裝配和使用中必須小心謹(jǐn)慎,避免用力過猛,急冷和急熱.2.2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料.材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場.在無外力電場作用下,電疇在晶體中雜亂分布,極化效應(yīng)相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零,因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì).在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動

5、,趨向于外電場方向排列,從而使材料得到極化.外電場越強(qiáng),就有更多的電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時,去掉外電場后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時的材料才具有壓電特性.壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高.極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān),它的參數(shù)也隨時間變化,從而使其壓電特性減弱.(1)鈦酸鋇壓電陶瓷:最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇(力),由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成.它的壓電系數(shù)約為石英的50倍,但使用溫度低,表1石英的切型和聲表面波特性最高只有70,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英.(

6、2)鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT系列):目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT系列),它是鈦酸鋇(BaTi)和鋯酸鉛(助a)組成的P6(ZrTi)q,有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度.(3)鈮酸鹽系列壓電陶瓷:鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷.它由鈮鎂酸鉛(Pb(Mg?Nb)O),鋯酸鉛(PbZ,q)和鈦酸鉛(PbTio3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷,具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度,而且能承受較高的壓力.2.3壓電半導(dǎo)體近年來出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體,如硫化鋅(ZnS),碲化鎘(),氧化鋅(Zn0)和硫化鎘(Cc)等,這些壓電材料的顯著特點(diǎn)是既具有壓電效應(yīng),又具有半導(dǎo)體特性,有利于將原件和線路集成于一體,從而研制出新型的集成壓電傳感器測試系統(tǒng).表1列出了石英的切型和它的聲表面波特性.參考文獻(xiàn)1】程守洙