4.5_压电性(材料物理性能)

压电材料的性质及应用压电材料是指能够将机械能转化为电能或将电能转换为机械能的特殊材料。

这种材料通常具有独特的性质，使其在一些特殊的应用领域中非常有用。

本文将探讨压电材料的性质及其应用。

一、压电效应压电效应是压电材料的一种特殊性质，也是压电技术应用的基础。

当一个压电材料受到机械应力或力矩时，会产生电荷分离现象。

这种电荷分离现象导致了一个内部电场，从而产生一个电势差。

因此，压电材料不仅能够将机械能转化为电能，也能将电能转化为机械能。

二、压电材料的性质除了压电效应，压电材料还具有一些其他的特殊性质。

首先，压电材料具有高度的机械弹性。

这种弹性可以使其在机械特性较重要的应用中得到广泛应用。

其次，压电材料具有高度的热稳定性。

在高温环境下依然具有良好的机械和电学性质。

因此，它们可以被用作在高温环境下工作的传感器和执行机构。

最后，压电材料具有极佳的化学稳定性。

这种化学稳定性使其能够在各种酸、碱、盐和其他化学物质中得到良好的表现。

因此，它们被用于各种化学领域中。

三、压电材料的应用由于其独特的性质，压电材料在各种领域中得到广泛应用。

以下是压电材料在不同领域中的应用。

1. 声波、超声波技术声波和超声波技术是压电材料最广泛使用的领域之一。

压电材料被用于制造超声波传感器和发生器，用于激发和检测超声波。

这种技术被用于医疗、通讯、极限环境探测和材料测试等领域。

2. 动力学测量另一个压电材料应用领域是动力学测量。

它们被用于制造高精度加速度计和陀螺仪，用于航空航天、武器制造和石油勘探等领域中。

3. 机械控制压电材料也被用于机械控制领域。

它们被用于制造高精度调节器、精密运动平台和精密泵等设备。

这些设备被广泛用于先进制造领域。

4. 军事技术许多压电材料应用于军事领域。

例如，它们被用于制造声呐、水下挖掘机和远程探测设备等。

在军事领域中，它们经常被用来检测并调节雷达的效能和朝向。

5. 能源技术压电材料也可以用于能源领域。

它们被用来制造压电发电机，将机械能转化为电能并将其输送到电网中。

1.微观粒子的波粒二象性在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。

这种量子行为称为波粒二象性。

2.波函数及其物理意义微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。

此函数称波函数。

其模的平方代表粒子在该处出现的概率。

表示t时刻、（x、y、z）处、单位体积内发现粒子的几率。

3.自由电子的能级密度能级密度即状态密度。

dN为E到E+dE范围内总的状态数。

代表单位能量范围内所能容纳的电子数。

4.费米能级在0K时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。

故费米能是0K时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。

5.晶体能带理论假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。

用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。

6.导体，绝缘体，半导体的能带结构根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。

从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。

在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带Eg，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。

半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(Eg小)，电子跃迁比较容易1.电导率是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。

当施加电压于导体的两端时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。

电导率是以欧姆定律定义为电流密度和电场强度的比率：κ=1/ρ2.金属—电阻率与温度的关系金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是金属产生电阻的根本原因。

第一章固体中电子能量和状态1.1电子的粒子性和波动性1.霍尔效应取一金属导体，放在与它通过电流相垂直的磁场内，则在横跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的电场，此现象称为霍尔效应。

2.德布罗意假设一个能量为E，动量为P的粒子，同时也具有波性，其波长λ由动量P决定，频率ν由能量E确定：λ=h/P=h/(mv); ν=E/h;式中：m为粒子质量；v为自由粒子的运动速度,由上式求得的波长，称为德布罗意波长。

3.其中，d=2.15*10-10m，θ=50°E=54eV;由λ=dsinθ得，λ=2.15*10-10m*sin50°=1.65*10-10m电子质量m=9.1*10-31kg，电子能量E=54eV，则由λ=h/p得λ=h/(2mE)1/2=[6.6*10-34/(3.97*10-24)]m=1.66*10-10m比较两个结果基本一致，说明德布罗意波假设的正确性。

1.2金属的费米——索末菲电子理论金属的费米索末菲电子理论同意经典的电子学说，认为价电子是完全自由的，但量子自由电子学说认为自由电子状态不服从麦克斯韦——玻尔兹曼统计规律，而是服从费米——狄拉克的量子统计规律。

故该理论利用薛定谔方程求解自由电子的运动波函数，计算自由电子的能量。

1.导体，绝缘体，半导体的能带结构（P25-26）二价元素如周期表中的ⅡA族碱土族Be、Mg、Ca、Sr、Ba，ⅡB族为Zn、Cd、Hg，按上边的讨论，每个原子给出两个价电子，则得到填满的能带结构，应该是绝缘体，对一维情况的确是这样，但在三维情况下，由于能带之间发生重叠，造成费米能级以上不存在禁带，因此二价元素也是金属。

1.3习题1.一电子通过5400V电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni晶体（111）面（面间距d=2.04×10-10m）的布拉格衍射角。

2.有两种原子，基态电子壳层是这样填充的（1）12、2226、3233;（2）12、2226、3236310、4246410;，请分别写出n=3的所有电子的四个量子数的可能组态。

压电材料与器件物理压电材料是一类具有压电效应的特殊材料，它们在外加电场或机械应力下会发生电荷分离，从而产生电压或电荷。

压电效应的应用广泛，尤其在传感器、驱动器和换能器等领域有着重要的作用。

本文将介绍压电材料的物理特性以及压电器件的工作原理。

我们来了解一下压电材料的物理特性。

压电材料可以根据其压电效应的来源分为三类：压电效应、逆压电效应和共轭压电效应。

压电效应是指在外加应力下，材料内部的电偶极矩发生变化，从而产生极化电荷。

逆压电效应是指在外加电场下，材料内部的电偶极矩发生变化，从而产生机械应变。

共轭压电效应是指在外加电场和应力同时存在时，材料表面的电势发生变化。

压电材料的压电性能可以通过压电系数来描述，压电系数越大，说明材料的压电效应越强。

压电器件是利用压电材料的压电效应来实现电能与机械能之间的转换。

其中，压电传感器是一种将机械信号转换为电信号的器件。

当外界施加力或压力时，压电材料会产生压电效应，从而产生电荷或电压信号，通过测量这些信号可以得到相应的机械信号信息。

压电传感器具有灵敏度高、响应速度快、线性度好等特点，广泛应用于压力传感、加速度测量、振动检测等领域。

压电驱动器是一种利用压电材料的逆压电效应来实现机械运动的器件。

当外加电场施加在压电材料上时，材料会发生形变，从而实现机械运动。

压电驱动器具有响应速度快、精度高、能量转换效率高等特点，被广泛应用于精密定位、微调控制等领域。

压电换能器是一种将电能与声能、光能等其他形式能量之间相互转换的器件。

压电换能器利用压电材料的压电效应实现能量的转换。

例如，压电陶瓷换能器可以将电能转换为声能，广泛应用于超声波发生器、声纳等领域。

压电换能器在能量转换效率、频率响应范围等方面具有优势，因此在能源转换和传感领域有着广泛的应用前景。

压电材料及其器件的物理特性和工作原理对于理解和应用压电技术具有重要意义。

通过合理选择压电材料和设计优化压电器件，可以实现高效、高精度的能量转换和信号检测，为各个领域的应用提供了可靠的技术支持。

压电材料的性质与应用压电材料是一类特殊的材料，在受到力或压力作用时会发生电极化现象，即电荷会在其表面上累积。

这种材料有着广泛的应用领域，如声学、传感器、计量仪器、医疗器械等。

本文将介绍压电材料的性质和应用。

1. 压电材料的性质压电效应是压电材料的特有性质。

当一定的压力施加在压电材料表面上时，材料的体积会发生微小变化，引起电荷的分离，从而产生电势差。

另一方面，当电场施加在压电材料上时，材料会发生形变，这个效应被称为反压电效应。

压电材料因其特殊的性质，不仅在电子设备中广泛使用，也受到了医学、无损检测和航空航天领域的关注。

2. 压电材料的应用2.1 声学领域压电材料最先被引用在传声器产业上。

当一个声音遇到一个压电晶体时，晶体会以轻微的震动进行反应，并生成电信号，产生声波。

所以，压电材料可以应用在扬声器、麦克风、降噪耳机等各种声学设备上。

2.2 传感器领域压电材料能够将机械能转换成电信号，这种情况在传感器领域中极其重要。

例如，土地上的地震活动、楼房上的风荷载，都能产生微弱的振动信号。

通过在压电材料表面施加电场，当振动信号作用在压电材料上时，它就会产生电信号，以此来感测处于压电材料表面上的振动信号。

压电传感器也广泛运用在无损建筑检测、机械设备监控等场合。

2.3 计量仪表由于压电材料具有轻质、耐磨损且易于加工等优点，它被广泛应用于日常使用的计量仪器中，如测量器、水表、电表等。

采用压电材料，这些计量仪器具有较大的灵敏度和较高的准确性。

2.4 医疗器械压电材料在医疗设备中应用广泛。

例如，压电器件可用于医疗探头，延长腔镜，提高拍摄准确性。

此外，压电技术也应用在专业的超声设备上，包括检查器和治疗装置等。

此外，也有一些压电器件能够产生定量的机械刺激，提高肌肉治疗效果。

3. 结论总的来说，压电材料的应用在多个领域广泛，性质独特、灵活、多功能使其成为各种电子、声学、机械、医疗和航空航天等领域中必不可少的材料。

未来，人们将进一步加强对压电材料的研究，拓展其应用领域，同时也会更加注重其在环境友好和可持续发展领域中的运用。

OCCUPATION1712012 01压电材料的物理特性及应用文/付晓鸥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（SiO 2），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。

铁电性：电偶极子由于它们的相互作用而产生的自发平行排列的现象。

屈服极限：中档应力足够大，材料开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力。

延展性：指材料受塑性形变而不破坏的能力。

构建的受力模型：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲塑性形变：指外力移去后不能恢复的形变。

热膨胀：物体的体积或长度随着温度的升高而增加的现象称为热膨胀，本质是点阵结构中质点的平均距离随温度升高而增大。

色散：材料的折射率随入射光频率的减小而减小的性质。

抗热震性：是指材料承受温度的剧烈变化而抵抗破坏的能力。

蠕变：对材料施加恒定应力时。

应变随时间的增加而增加，这种现象叫蠕变。

此时弹性模量也将随时间的增加而减少。

弛豫：对材料施加恒定应变，应力随时间减少的现象，此时弹性模量也随时间而降低。

滞弹性：对于理想弹性固体，作用应力会立即引起弹性形变，一旦应力消除，应变也随之消除。

对于实际固体，这种应变的产生和消除需要一定的时间，这种性质叫滞弹性。

粘弹性：有些材料在比较小的应力作用下可以同时表现出弹性和粘性。

虎克定律：材料在正常温度下，当应力不大时其变形是单纯的弹性变形，应力与应变的关系由实验建立。

晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动。

应力：单位面积上所受的内力。

形变：材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。

应变：物质内部各质点之间的相对位移。

本征电导：由晶体点阵的基本离子运动引起。

离子自身随热运动离开晶格形成热缺陷，缺陷本身是带电的，可作为离子电导截流子，又叫固有离子电导，在高温下显著。

杂质电导：由固定较弱的离子的运动造成，主要是杂质离子。

在低温下显著。

杂质电导率要比本征电导率大得多。

离子晶体的电导主要为杂质电导。

热电效应：自发极化电矩吸附异性电荷，异性电荷屏蔽自发极化电场而自发极化对温度影响当温度变化时释放出电荷。

极化:在外电场作用下,介质内质点政府电荷重心的分离,并转变为偶极子,即电介质在电场作用下产生感应电荷的现象.自发极化：这种极化状态并非由外加电场所引起而是由晶体内部结构特点所引起。

压电材料性能压电材料是一类具有压电效应的功能材料，它在电子、通信、医疗等领域有着广泛的应用。

压电效应是指在外加压力的作用下，材料会产生电荷分离，从而产生电压。

压电材料的性能对其应用具有重要影响，下面将就压电材料的性能进行详细介绍。

首先，压电材料的压电系数是衡量其性能的重要指标之一。

压电系数是指在单位力的作用下，材料产生的电荷分离量与作用力之比。

压电系数越大，说明材料在外加压力下产生的电荷分离量越大，从而产生的电压也越大。

因此，较大的压电系数可以提高压电材料的灵敏度和效率。

其次，压电材料的介电常数也是影响其性能的重要因素之一。

介电常数是指材料在外加电场下的极化能力，它反映了材料对电场的响应能力。

介电常数越大，说明材料在外加电场下的极化能力越强，从而可以产生更大的电荷分离量。

因此，较大的介电常数可以提高压电材料的电压输出能力。

另外，压电材料的机械性能也对其压电性能有着重要影响。

材料的机械性能包括硬度、弹性模量、断裂韧性等指标。

较好的机械性能可以保证材料在外界环境下具有较好的稳定性和耐久性，从而保证其压电性能的长期稳定性。

此外，压电材料的温度特性也是需要考虑的因素之一。

温度对压电材料的性能有着重要影响，一般来说，压电材料的压电系数和介电常数随温度的升高而下降。

因此，对于特定应用场景，需要选择具有较好温度稳定性的压电材料，或者采取相应的温度补偿措施。

总的来说，压电材料的性能包括压电系数、介电常数、机械性能和温度特性等多个方面。

在实际应用中，需要根据具体的应用要求选择合适的压电材料，并在制备和设计过程中充分考虑其性能特点，以达到最佳的应用效果。

希望通过本文的介绍，能够对压电材料的性能有一个更加清晰的认识。