第三章-压电材料-讲稿

无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即无对 称中心的晶体并不能保证都有压电性。 产生机理：晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用 下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被 破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现 剩余电偶极矩。
2. 压电多晶转换机理（自发极化）
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷属于 铁电体，人工制造多晶材料，它具有电畴结构在无外电场作 用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
① 压电效应：在晶体上施加压力、张力、切向力时， 则发生与应力成比例的介质极化。 ② 热释电效应：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 ③ 铁电效应：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。
热释电效应与铁电效应的区别
二、压电材料的历史
早在世纪前，锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质， 当电气石投入热的灰烬当中时，这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几 分钟之后排斥掉它们。 十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。 1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。 1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。 1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在 石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们 所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－ NaKC4H4O6．4H2O)。
按照晶体的宏观对称性，晶体可分为：七大晶系、32种点
群，其中21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效 应。
不具有对 称中心的 晶体（21）
极性晶体 （10）
压电效应
热释电
铁电
32种点群
晶体 非极性晶 体（11）
压电效应 （10种）
具有对称中 心的晶体 （11）
总结：单晶压电效应
单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
正压电效应示意图 （实线代表无外力情况， 虚线代表加外力的情况）
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线 代表形变后的情况）
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应。
第三章 压电、热释电 与铁电材料补充内容
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--------自发极化与铁电体压电材料特性要求：
①转换性能。要求机械能与电能转换效率高。
②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部 分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高 的居里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
1917年 美国贝尔（Bell）实验室的A.M. Nicolson制成压电拾音
器和扬声器，并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。
1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械谐振频率特有的 电性能。
1919年 用罗息盐制成了电声组件，这为压电材料在通讯技术和频 率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换 能器和声纳等方面获得了应用。
极化面
F
Q
逆压电效应
机械能 压电介质 电能
正压电效应
F
压电效应及可逆性
正压电效应
力→形变→电压
电压→形变
逆压电效应
压电材料分类
1.无机压电材料
压电单晶：是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。 这种晶体结构无对称中心，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、 锗酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。
1881年
李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理，
推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。 1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水下发射和接收
换能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。
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，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。
3.1 压电材料
气体喷嘴 高 压 引 线
磷 压 铜 电 片 振 子
压 电 振 子
外 壳
叩 击 机 构
压电蜂鸣器
压电陶瓷点火示意图
压电陶瓷因受力形变而产生电的效应
1998 年，美国麻省理工大学科学家 Kymissis 将压电式发电器
装置以不同方式安置入鞋中，收集人行走过程中所丢失的能量。 安置压电冲击式装置在鞋后跟处，同时安装一个 PVDF 材料的薄
板在鞋子的前鞋底处。测试发现压电式冲击机构产生峰值电能为
80mW，PVDF 材料峰值电能达到 20mW，电磁式机构峰值电能 为 20mW。由于外界激励缓慢，PVDF 装置和冲击式压电装置的
主要内容
一、概述
二、研究史
三、基本原理
四、性能参数
五、典型的压电材料 六、应用
一、概述
压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中，
还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力）
而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外 力成比例。
压电效应：
正压电效应：
材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电
平均电能都很低，电磁式结构不易实现，安装在鞋子里很困难，
并受步伐影响。 此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性，
表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。
三、压电转换机理
1. 压电单晶的转换机理
晶体存在对称中心，晶体 发生形变后仍保持极化强 度为零，无压电效应。
由于石英晶体不存在对称中 心，当给晶体施加压力时， 产生极化后某一方向出现剩 余偶极矩。
外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化 强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电 效应。 在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部 束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由 电荷的释放或补充。
逆压电效应≠电致伸缩
压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向 时，应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反 向电场使试样缩短。 电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比， 当电场反向时，应变不改变符号，即无论正向电 场或反向电场均使试样伸长（缩短）。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长
2017/3/28
剩余伸长 (b)极化处理中 (c)极化处理后
(a)极化处理前
电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法 测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？
极化后，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚
电荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自
－－－－－－
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
2017/3/28
Ｅ
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
电 场 方 向
24
总结：压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极 化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向 排列的结果，即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余 极化强度。
利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的 两用器件，可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话， 使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的 眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极 就会有音频电压输出。 相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的 两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压 电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形 成声音，这时候，它又成了喇叭。
极化，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的 方向。
逆压电效应：
逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用
下发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场
的强度成正比，其符号取决于电场的方向。
有正压电效应的晶体必然有逆压电效应，正压电常数数
与逆压电常数必然相等，且一一对应。
能量的转换
早在 1984 年，美国科学家将 PVDF 薄片安置在生物体上，以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础，将生物体 运动时产生的能量转换为电能，驱动外部设备。压电式发电器装 置固定在狗肋骨上，利用狗的自然呼吸可产生 18V 电压，能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状，同时设计更适合贴在动物 肋骨上的辅助设备，最终测试发现输出能量能够达到1mW。 1996 年，英国科学家试验分析发现发电器装置内部的压电陶瓷发 电总量与其变形频率的立方成正比。此发电器装置，在 70Hz 的振动 频 率 下 产 生 1uW 的 能 量 ， 在 振 动 激 励 为 330Hz 的 情 况 下 产 生 0.1mW 能量。