压电效应也压电材料论文

智能陶瓷材料——压电陶瓷段涛2009107204摘要：陶瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。

特殊材料中的智能材料是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。

前言：陶瓷材料是国民经济和人民生活中不可缺少的重要组成部分。

随着科学技术的不断发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。

陶瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。

由于陶瓷具有优良的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、以及高强度和高硬度等优点，因此在国防、机械、冶金、化工、建筑、电子、生物等领域得到了广泛的应用。

智能陶瓷是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。

这里我想研究的是压电陶瓷的情况。

正文：所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。

反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。

这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控等功能。

在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。

电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。

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，以及超声清洗、超声医疗，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。

压电陶瓷材料的发现：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞了压电陶瓷。

link appraisement钟 勉1 杨 涛石文杰1 胡家豪李 梦1 徐亚军超2*1.中国民用航空飞行学院航空工程学院；2.钟勉（1984-）男，四川成都人，博士，讲师，凝聚态物理专业（电子科技大学）。

通讯作者：周超（1980-）男，安徽淮北人，博士，教授，硕士生导师。

在理想状态下，当θ=90°时，即只有时（垂直受力），外接电路中测到的电势随受力大小变化而变化的曲线呈线性关系。

当模型宽度在1 mm（5）为了研究受力角度变化对ZnO薄膜电势的影响，上表图1 ZnO薄膜压电效应模型图2 边界约束模型图3 Y轴受力模型内部电势分布图图4 X轴受力模型内部电势分布图图5 改变受力大小的仿真图方向变长，使应力范围变大，因此总应变增大，电势增大，压电常数增大。

但当ZnO 薄膜厚度增加到一定程度后，特别是考虑当x →∞极限情况时，薄膜类似一根无限长细条，应力作用范围有限，离应力作用较远的地方几乎没有应力，故其压电系数趋于稳定。

是电势随ZnO 薄膜宽度变化仿真图，仿真结果表明，电势随薄膜厚度呈指数增加而逐渐增加并趋于最大值，其拟合方程为：)1(33x b a U −×= （8）中，a 3=4.283×10-2，b 3=0.25，曲线=0.9950。

根据仿真计算结果，当ZnO 薄膜层宽度为时，纵向受力能达到最大的压电常数为3.848×10N。

根据拟合方程公式（8）可知，当x →∞时，αF=4.283×10-3mV/N。

这是由于当ZnO 薄膜的厚度不变时，改变宽度相当于固定约束面增大，应变主要集中于约束面上，因此总应变增大，电势增大，压电常数增大。

但当图6 改变受力方向的仿真图图7 ZnO 薄膜层结构图8 电势与ZnO 薄膜厚度关系图图9 电势与ZnO 薄膜宽度关系图。

压电材料的应用及其性能研究压电材料是一种特殊的材料，当施加电场或机械应力时，可以产生电荷分布和电位变化。

这种材料具有许多重要的应用，例如：超声波、微机械系统、压力传感器、无线传感器等等。

本文将讨论压电材料的性能和应用。

第一部分：压电材料的性能1.1 压电效应压电效应是压电材料的最基本性质。

当压电材料受到外力作用时，会发生电极化现象，使得材料上出现电荷分布的变化，从而导致材料内部产生电位差，这个过程就是压电效应。

压电效应是压电材料最重要的特性，它决定了压电材料的应用范围和性能。

通常，压电材料的压电系数越大，其应用范围就越广泛，性能就越好。

1.2 介电常数介电常数是另外一个重要的性能指标，它主要反应了材料内部原子之间的相互作用和电磁波在材料中的传播能力。

介电常数越大，材料对电场的响应就越明显，从而压电效应也越强。

1.3 稳定性和耐久性稳定性和耐久性是压电材料的重要性能，它决定了材料在实际应用中的可靠性和使用寿命。

压电材料通常在高温、高湿和高电压条件下工作，所以需要具有较好的耐热、耐潮和耐压性能，以保证其稳定性和耐久性。

第二部分：压电材料的应用2.1 超声波压电材料最常见的应用就是超声波，它广泛应用于医学、工业、无损检测和水下探测等领域。

超声波是由压电晶体振动产生的，可以传播到大约1000米远的距离，而且能够穿透许多材料，不会对人体产生危害。

2.2 微机械系统微机械系统是将微小的压电材料组成器件，用于制造微型和纳米尺度的机械装置。

这些装置可以应用于MEMS（微型电子机械系统）和NEMS（纳米尺度机械系统）。

2.3 压力传感器压电材料也可以应用于压力传感器。

传感器通过观察压电晶体的厚度变化来检测压力变化，从而提供对压力变化的感知。

这种传感器可以应用于监测许多物理量，例如气压、水压、重力等等。

2.4 无线传感器压电材料还可以应用于无线传感器，通过材料压电效应产生的信号来进行能量收集，并通过改变压电效应值来发送信息，从而实现无线传感器的运作。

压电材料的研究和应用现状一、本文概述压电材料是一类具有独特物理性质的材料，它们能在机械应力作用下产生电荷，或者在电场作用下发生形变。

这一特性使得压电材料在众多领域，如传感器、执行器、能量转换和收集等方面具有广泛的应用前景。

本文旨在全面概述压电材料的研究和应用现状，分析其在不同领域中的优势和局限性，并探讨未来可能的发展方向。

我们将回顾压电材料的基本理论和性质，包括压电效应的起源、压电常数等关键参数的定义和测量方法。

然后，我们将重点关注压电材料的主要类型，如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等，介绍它们的制备工艺、性能特点以及适用场景。

接着，我们将深入探讨压电材料在传感器和执行器领域的应用。

在这一部分，我们将分析压电材料如何被用于制作压力传感器、加速度计、振动能量收集器等设备，并讨论其在实际应用中的优势和挑战。

我们还将关注压电材料在能源领域的应用，如压电发电和压电储能等。

我们将展望压电材料的未来发展趋势。

在这一部分，我们将讨论新型压电材料的开发、性能优化以及新应用场景的拓展等问题，并探讨压电材料在未来可能带来的技术革新和产业变革。

通过本文的阐述，我们希望能为读者提供一个全面而深入的压电材料研究和应用现状的概览，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。

二、压电材料的分类压电材料，作为一种具有压电效应的特殊材料，可以根据其组成和性质进行多种分类。

最常见的分类方式是根据材料的晶体结构和化学成分，将压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三大类。

压电晶体：压电晶体是最早发现具有压电效应的材料，如石英晶体。

这类材料具有良好的压电性能和稳定性，因此在高精度测量、振荡器、滤波器等领域有广泛应用。

然而，由于晶体材料的加工难度大，成本高，限制了其在一些领域的应用。

压电陶瓷：压电陶瓷是通过一定的陶瓷工艺制备而成的压电材料，如铅锆钛酸盐（PZT）等。

这类材料具有较高的压电常数和介电常数，易于加工成各种形状，因此在传感器、执行器、换能器等领域得到了广泛应用。

压电效应和逆压电效应的应用压电效应和逆压电效应，这听起来像是科幻小说里的名词，其实它们在我们的生活中无处不在，就像调皮的孩子，总是藏在你看不到的地方。

先说说压电效应吧。

这个东西有点意思。

简单说，就是某些材料在受到压力的时候，会产生电能。

就像当你踩到气球时，气球发出的那种“砰”的声音，压电材料在压力下也会“发声”，而且发出的可不是声音，而是电。

用在很多地方，比如我们日常使用的手机，里面的麦克风就是利用了这种效应。

你想，跟朋友打电话时，你的声音通过麦克风变成电信号，再变成对方耳中的声音，神奇吧？要是没有这个效应，我们可能就要靠写信了，那可真是太麻烦了。

再说说逆压电效应。

听这个名字，可能大家会觉得它是个反向操作，但其实也很有趣。

它的意思是，当施加电压的时候，材料会发生形变。

想象一下，你用电压给一个橡皮筋施压，它可能就会拉长、缩短，或者扭动，简直像个魔术师在表演。

这一效应的应用可广泛了，尤其是在音响设备里。

有没有想过，音乐声是如何从小小的喇叭里传出来的？没错，正是利用了这个逆压电效应。

电流通过喇叭，激发材料振动，最后发出动人的旋律。

真是“声”情并茂，听着就让人热血沸腾。

还有一些高科技的玩意儿，像是那些先进的传感器，都是借助这两种效应来工作的。

想象一下，汽车上的碰撞传感器，正是利用了压电效应。

当汽车受到撞击时，传感器能迅速把压力转换成电信号，告诉车子，嘿，快刹车！这样一来，生命安全都能得到保障，简直是科技的护航者。

这些小小的压电材料，就像无形的守护神，随时关注着我们的安全。

说到这里，别忘了医疗领域的应用。

压电材料在超声波成像中大显身手。

医生用超声波检查身体，背后的原理就是利用压电效应。

当超声波穿过身体时，压电材料会将反射回来的波转化为电信号，最后形成影像。

这一技术让很多病症能够早发现、早治疗，真是医疗界的福音。

试想一下，要是没有这些技术，很多疾病可能就会错过最佳治疗时机，那可真是得不偿失啊。

除了这些严肃的应用，还有些好玩儿的东西。

学校代码： 1 1 0 5 9学号：0803011017Hefei University毕业论文BACH ELOR DISSERTATION论文题目：压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3制备及性能研究学位类别：工学学士学科专业：粉体材料科学与工程作者姓名：王正导师姓名：尹奇异完成时间：2012年6月压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的制备及性能研究中文摘要压电陶瓷能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性。

近几年关于压电陶瓷的研究越来越受人们的关注，同时也发现了它的许多优越性，但是也存在缺陷，比如含铅压电陶瓷中就含有对环境有污染的铅，而环境是人类生存和发展的基础，因此，保护环境，发展环境协调型材料及制备技术，是二十一世纪材料科学发展的必然趋势。

因此本文利用了传统的固相烧结法研究了Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3无铅压电陶瓷，并且对其性能以及一些常数进行了测定，譬如压电系数d33，介电常数εr，介电损耗tanδ，机械品质因数Q m，机电耦合系数K p，频率常数N，居里温度T，弹性系数。

通过测定得到结论：烧结温度T=1120℃，掺杂量x=0.06时，样品的压电常数为d33=115pC/N，机电耦合系数为K p=0.205，机械品质因数为Q m=73，介电常数为值εr=701，介电损耗为tanδ=0.385可以制得压电性能和铁电性能良好的压电陶瓷。

关键词：无铅压电陶瓷；烧结温度；固相法；压电性能；铁电性能AbstractThe piezoelectric ceramic to adaptive environmental changes to achieve the mutual conversion between mechanical energy and power, has a set of sensing, execution and control in one unique property. In recent years, more and more research about the piezoelectric ceramic is attention, and found that many of its superiority, but there are defects, such as lead piezoelectric ceramic containing lead pollution on the environment, and environmental is the basis of human survival and development, therefore, protecting the environment, developing environment, coordination of materials and preparation techniques, is the inevitable trend of development of materials science of the twenty-first century.In this paper, the traditional solid-phase sintering of the Na0.515K0.5 (Nb1-x Sb x) O3 lead free piezoelectric ceramics, and its performance as well as some of the constants were determined, such as piezoelectric coefficient d33of the dielectric constant εr and dielectric loss tanδ, the mechanical quality factor of Q m, electromechanical coupling factor K p frequency constant N, Curie temperature T, the coefficient of elasticity. Conclusion: By measuring the sintering temperature is 1120 ℃, the doping level x is 0.06, the piezoelectric constant of the sample for 115pC / N, electromechanical coupling coefficient is 0.205, mechanical quality factor is 73, the dielectric constant value is 701, dielectric loss tanδis 0.385, it can be obtained good piezoelectric properties and ferroelectric properties of piezoelectric ceramics.Key words：Lead-free piezoelectric ceramics; sintering temperature; solid-phase method; piezoelectric properties; ferroelectric properties目录第1章前言 (1)1.1 功能陶瓷 (1)1.1.1 功能陶瓷的定义 (1)1.1.2 功能陶瓷的发展 (1)1.2 压电陶瓷 (2)1.2.1 压电陶瓷的概念 (2)1.2.2 压电陶瓷的分类 (3)1.2.3 压电效应 (3)1.2.4 压电陶瓷的发展历史 (5)1.2.5 压电陶瓷的表征参数 (6)1.2.6 压电陶瓷的应用 (10)1.3 无铅压电陶瓷 (16)1.3.1 无铅压电陶瓷的定义 (16)1.3.2 无铅压电陶瓷的体系 (16)1.4 选题依据及研究内容 (16)第2章陶瓷制备工艺 (18)2.1 无铅压电陶瓷的制备工艺 (18)2.1.1 实验主要原料及设备 (18)2.1.2 实验步骤 (18)2.2 测试性能前的准备 (20)第3章压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的性能研究 (22)3.1 温度、掺杂量对压电性能的影响 (22)3.1.1 温度、掺杂量对压电常数的影响 (22)3.1.2 温度、掺杂量对机电耦合系数的影响 (23)3.1.3 温度、掺杂量对机械品质因数的影响 (23)3.2 温度、掺杂量对介电性能的影响 (24)3.2.1 温度、掺杂量对介电常数的影响 (24)3.2.2 温度、掺杂量对介电损耗的影响 (25)3.3 压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的铁电性能 (25)3.4 SEM分析 (27)第4章实验总结 (28)4.1 实验结论 (28)4.2 试验中存在的不足 (28)参考文献 (29)致谢 (32)第1章前言1.1功能陶瓷1.1.1功能陶瓷的定义功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。

电力高工发表文章压电纳米带及其测试方法目前，无论是在国内还是国外，压电纳米材料已成为一个热点的研究课题，本文是电力高工发表文章，介绍了压电纳米材料的主要性能及其微观机理，国内外研究现状。

讨论了几种主要的制备和表征的方法，及其优缺点。

对其力学性能做了详细分析。

摘要：压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

因为其存在压电效应，所以施加作用力在压电材料上，压电材料就会产生电位差，我们称这种现象为正压电效应;相对应的，对压电材料施加电场的时候，会引起机械应力，我们称这种现象为逆压电效应[1]。

关键词：压电材料,纳米带,力学性能,电力高工发表文章1. 压电纳米材料简介由于压电材料具有特的物理和化学性能，其已经广泛应用于我们生活和工作的各个领域，如制动器、传感器等[2]。

随着器件制备技术的发展和进步，器件越来越趋向于微型化，其尺寸已经步入微纳米级别。

相对应的，越来越多的材料也向小尺寸发展。

压电纳米材料，如压电纳米带和压电薄膜等纳米尺寸材料，由于具有独特的力电耦合性能及尺寸小的特点，广泛应用于微电子器件等领域。

它们常常以薄膜或纳米带等形式生长在基底材料的表面上，其尺寸在纳米到微米量级。

2. 压电纳米带及压电薄膜材料的力学性能压电纳米材料，如压电薄膜、压电纳米带，不管是用于功能性元器件或者结构性元器件，其力电性能对它的应用具有非常重要的意义[6]。

其基本力学性能一般都包括弹性性能、断裂韧性、残余应力及界面强度等。

弹性性能作为压电纳米材料最基本的力学性能，对于压电纳米材料的应用有着重要的作用，其一般可以用弹性常数来表征。

我们一般把压电薄膜和压电纳米带材料看成横观各向同性材料，其弹性性能在一个面内是具有各向同性，而在垂直于这个各向同性面的方向是异性的。

因此，压电薄膜和压电纳米的弹性常数可以由五个独立的弹性顺度系数来表征：横向和纵向杨氏模量、纵向剪切模量、横向和纵向泊松比。

压电纳米材料不同于一般的陶瓷材料，其断裂韧性很复杂，不能简单的用断裂韧性数值来表征，不同的极化方向，相对应的断裂韧性也会不同。

材料压电性能的提升研究引言：材料科学与工程领域一直致力于开发新型材料，以提高性能和应用范围。

压电材料是其中一类具有特殊性能的材料，具有压电效应，即在施加压力时产生电荷分布不均，从而产生电位差。

压电材料的研究旨在进一步提升其性能，以满足不同领域的应用需求。

一、结构调控研究人员发现，通过调控压电材料的结构，可以对其压电性能进行改善。

一种常用的方法是引入微纳结构，如纳米颗粒、纳米线等，以增加材料的比表面积。

增加比表面积可提高材料的电荷分布不均性，从而增强压电效应。

此外，改变材料的晶体结构、界面结构等也可以改善压电效应。

二、添加杂质杂质的添加是提升材料压电性能的一种常用方法。

添加适量的杂质可改变材料的电荷分布，从而增强压电效应。

研究人员通过添加元素或化合物来改变材料的晶格结构，进而提升其压电性能。

此外，添加适量的稀土元素、过渡金属等也被发现可以显著提高材料的压电性能。

三、控制制备工艺材料的制备工艺对其压电性能的提升起着重要作用。

研究人员通过控制合成温度、时间，以及其他工艺参数，调控材料的晶体结构、晶粒尺寸等，从而改变其压电性能。

例如，采用特定的烧结工艺可以增加晶界的数量及其柔韧性，并提高材料的电荷分布不均性，从而增强压电效应。

四、新型材料的研发除了对现有材料的改进研究，科学家们还不断探索新型压电材料。

例如，钙钛矿型压电材料由于其良好的压电性能和光学特性，引起了广泛的关注。

此外，二维材料、混合框架材料等也被认为具有巨大的潜力。

通过研发新型材料，能够进一步提升压电效应，使压电材料在能源、传感器、储存等领域发挥更大的作用。

结语：材料压电性能的提升研究涉及多个方面，包括结构调控、添加杂质、控制制备工艺以及新型材料的研发。

通过这些方法，我们可以进一步改善压电材料的性能，拓展其在不同领域的应用。

未来，随着研究的深入和技术的进步，相信压电材料将会在能源转换、传感器技术等领域发挥更加重要的作用。

Ca=
r 0 A
d
(6 - 4)
式中: A——压电片的面积;
d——压电片的厚度; εr——压电材料的相对介电常数。
因此 , 压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压 源。 如图6 - 5（a）所示, 电容器上的电压Ua、电荷量q和电 容量Ca三者关系为 Ua =
式中: d11——x方向受力的压电系数;
电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6 - 3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子, 在垂直 于z轴的xy平面上的投影, 等效为一个正六边形排列。图中
“”代表Si4+离子, “”代表氧离子O2-。
dFm ua sin wt U m sin wt Ca
式中: Um——压电元件输出电压幅值Um = dFm/ Ca; d——压 电系数。 由此可得放大器输入端电压Ui, 其复数形式为
jwR Ui df 1 jwR(Ci Ca )
U i 的幅值为U im


Uim
dFmR 1 2 R2 (Ca Cc Ci )
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电 陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时 间变化, 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（ BaTiO3 ）。它是由
碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电
q Ca
(6 -5)
压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图6 - 5（b） 所示。 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相
连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电

压电材料的应力电荷效应研究压电材料是一类具有特殊性能的材料，它们能够在受到外力作用下产生电荷，这种现象被称为应力电荷效应。

在过去的几十年里，压电材料的研究取得了许多重要的进展，对于理解和应用这一效应具有重要的意义。

首先，我们来了解一下什么是压电效应。

压电效应是指当压电材料受到外力作用时，其内部的电荷分布发生改变，从而产生电荷。

这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非对称性，当受到外力作用时，晶格结构发生畸变，导致电荷分布的改变。

这种应力电荷效应使得压电材料在传感器、换能器等领域具有广泛的应用。

接下来，我们来讨论一下压电材料的应力电荷效应的研究进展。

近年来，随着科学技术的不断发展，对压电材料的研究越来越深入。

研究人员通过实验和理论模拟等方法，探索了压电材料的应力电荷效应的机理和特性。

他们发现，压电材料的应力电荷效应与材料的晶格结构、化学成分等因素密切相关。

通过调控这些因素，可以改变压电材料的应力电荷效应的性能，从而实现更好的应用效果。

此外，研究人员还发现了一些新的压电材料，并对其应力电荷效应进行了深入研究。

例如，某些有机压电材料具有较高的压电性能和较宽的工作温度范围，因此在柔性电子器件和生物医学领域具有广阔的应用前景。

另外，纳米压电材料也成为研究的热点，由于其尺寸效应和界面效应的存在，纳米压电材料表现出与传统压电材料不同的应力电荷效应特性，这为新型压电材料的设计和制备提供了新的思路。

最后，我们来探讨一下压电材料的应力电荷效应在实际应用中的意义。

压电材料的应力电荷效应广泛应用于传感器、换能器、声波设备等领域。

例如，压电传感器能够将机械能转化为电能，用于测量和检测各种物理量。

压电换能器则可以将电能转化为声能或机械能，用于超声波发射和接收、声波发射和接收等应用。

此外，压电材料还可以用于能量收集和储存等方面，为新能源技术的发展做出贡献。

综上所述，压电材料的应力电荷效应是一项重要的研究课题。

通过深入研究压电材料的应力电荷效应，可以为材料的设计和应用提供理论指导和技术支持。

百岁铁电: 新材料、新应用专题压电效应—百岁铁电的守护者*李飞1)† 张树君2) 徐卓1)1) (西安交通大学, 电子陶瓷与器件教育部重点实验室, 西安　710049)2) (伍伦贡大学, 澳大利亚先进材料研究所, 伍伦贡, NSW 2500, 澳大利亚)(2020 年6 月25日收到; 2020 年7 月30日收到修改稿)作为电介质大家庭的重要成员, 铁电材料以其蕴含丰富的物理性质而闻名, 并因此吸引了大量科技工作者. 压电效应是铁电材料最为重要的物理性质之一, 同时也是目前铁电材料所有物理性质中应用最为广泛的.例如: 水声声呐系统、医疗超声探头、压电驱动器等器件的核心压电元件均为铁电材料. 本文将以时间为轴,重点介绍钛酸铅基铁电材料压电效应的发展历史, 同时讨论铁电材料微观结构、极化状态与压电效应之间的构效关系. 本文涉及到影响铁电材料压电效应的一些重要因素, 如: “准同型相界”、“软性掺杂”、“极化旋转”、“局域结构无序”等, 希望能够在铁电功能材料的设计方面给予读者启发.关键词：铁电材料, 压电效应, 性能优化PACS：77.80.Jk, 77.84.–s, 77.65.–j　DOI: 10.7498/aps.69.202009801 引　言压电效应是指当材料受到外力(比如: 压力)作用时, 其表面会产生电荷; 或在受到电场作用下, 会发生形变的现象. 它的英文是piezoele-ctricity, 源于古希腊语piezein/piezo和electricity,即: “压”而生“电”. 具有压电效应的材料统称为压电材料. 当然, 这里需要指出的是, 由于电致伸缩效应的存在, 所有电介质材料在电场作用下均可发生形变. 但是, 压电效应与电致伸缩效应的区别在于: 1)电致伸缩效应所产生的应变与电场的二次方成正比, 而压电效应所产生的应变与电场一次方成正比; 2)仅具有电致伸缩效应而不具有压电效应的电介质材料, 在应力的作用下不能产生极化强度和电荷.压电材料是现代科学技术中不可或缺的关键材料, 它被广泛应用于医疗超声成像、水声声呐、无损检测仪、各类传感器(如加速度计)等器件中.这些器件的性能优劣与其所使用的压电材料息息相关. 因而, 获得具有更高性能的压电材料成为了科学家们研究的重要目标.1880年, 居里兄弟首次在石英晶体中发现了压电效应. 然而, 在这之后的30多年中, 不论从科学层面还是技术层面来看, 压电效应并没有引起太多的关注. 直到1917年, 法国科学家朗之万利用石英晶体的压电效应发明了世界上第一台主动声呐(也称朗之万声呐), 基于“回声定位”的方法成功实现了对舰船的定位. 朗之万声呐在第二次世界大战期间的大西洋战役中发挥了非常重要的作用, 也成为了压电材料发展史上最重要的一次应用展示.正是在水声声呐系统中的成功应用, 拉开了人类探索高性能压电材料的帷幕.相比于其他压电材料, 钙钛矿相铁电材料以压电电荷系数d iµ和机电耦合系数k ij值高而闻名, 是用于医疗超声换能器、水声换能器以及压电驱动器* 国家自然科学基金(批准号: 51922083)资助的课题.† 通信作者. E-mail: ful5@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 等压电器件的核心材料. 本文将重点介绍钙钛矿相压电材料的发展历史, 同时讨论材料微观结构与压电效应的构效关系.2 钛酸钡: 压电材料进入“铁电时代”压电效应第一次质的飞跃源于19世纪40年代钛酸钡(BaTiO 3)的发现, 其压电系数约为190 pC/N, 远高于石英的2 pC/N. 同时, BaTiO 3也是首个具有钙钛矿结构的铁电材料(铁电材料是一种具有自发极化且极化矢量可以被电场反转的一类材料, 如图1(a)所示). 此后, 用于制作超声换能器的压电材料正式进入了“铁电”时代. 在目前所有的压电材料中, 铁电材料的压电系数通常远高于非铁电材料. 在外场(应力或电场)作用下, 铁电材料的自发极化方向和强度的变化以及相应的晶胞参数变化, 是造成铁电材料具有高压电效应的关键因素. 直观上来看, 为了获得高压电效应, 铁电材料需要满足这样两个特点: 1)自发极化强度大;2)自发极化容易被外场扰动. 基于热力学理论, 可以得到一个更准确的表达, 即: 压电系数与自发极化强度和介电常数的乘积成正比: d ～2QP S e , 其中, d 为压电系数, P S 为自发极化强度, e 为介电常数, Q 为电致伸缩系数. 在这个表达式中, 介电常数越大则表明自发极化越容易被电场扰动. 通常情况下, 铁电材料介电常数与自发极化强度是相互制约的, 因此压电效应的提升需要在这两个物理量之间进行权衡. 例如, 铁电材料居里温度越高, 它在室温条件下的极化强度越大(图1(b)); 但是, 与此同时, 极化矢量也越不容易被外场扰动, 导致介电常数下降(如图1(c)). 因此, 一味地降低居里温度,并不能让铁电材料压电效应持续增大. 现有实验结果表明, 压电效应最大的铅基陶瓷居里温度在100 ℃附近[1], 而压电效应最大的铌酸钾钠(KNN)基陶瓷居里温度在150 ℃附近[2].3 锆钛酸铅: 准同型相界与掺杂改性作为换能器用压电材料, 钛酸钡并没有被使用太长时间, 便被大名鼎鼎的锆钛酸铅(PbZrO 3-Pb TiO 3, PZT)固熔体陶瓷所取代. 20世纪50年代,Jaffe [3]在锆钛酸铅固熔体中发现了比钛酸钡更为优异的压电性能(d 33～300 pC/N)以及更好的温度稳定性. 可谓是出道即巅峰, 没有经历太长时间的基础研究, PZT 陶瓷即被工业化生产, 成为了广泛应用于各行各业的压电材料. 时至今日, 世界上许多PZT 陶瓷生产单位所应用的PZT 组分仍是源于20世纪60或70年代.⟨100⟩⟨111⟩在学术研究方面, PZT 的出现为铁电压电材料领域提供了两个直到今日仍然十分热门的研究方向. 一是准同型相界(morphotropic phase bou-ndary, MPB). 在PZT 固熔体中, PbTiO 3 (PT)为四方相铁电体, 其压电系数d 33小于100 pC/N;PbZrO 3 (PZ)为反铁电体, 不具有压电性. 但在PT 中加入PZ, 且PZ 与PT 的摩尔比例达到53∶47时, 晶体结构从原先PT 的四方相转变为了三方相, 即自发极化方向由 方向转变为 方向.更令人惊讶的是, 在这个组分附近, PZT 的压电系数d 33可达约300 pC/N. 虽然三方和四方铁电相在自发极化方向上有本质的区别, 但是二者晶胞参数均十分接近立方相晶胞参数, 因此称为准同型相. 在PZT 相图中, 这两个相的分界被称为“准同CC铁电体极化矢量长程有序室温温度室温温度介电常数自发极化强度(b)(c)(a)图 1 (a)单畴铁电材料极化矢量长程有序示意图, 其中红色箭头代表偶极矩; (b)自发极化与温度关系示意图(以二级铁电相变为例); (c)介电常数与温度关系Fig. 1. (a) Schematic drawing of long-range ordered ferroelectrics with single-domain structure, where the red arrows indicate the electric dipoles; (b) the relationship between spontaneous polarization and temperature (taking the second-order ferroelectric phase transition as an example); (c) the relationship between dielectric permittivity and temperature.型相界”[3]. 在PZT 出现70年后的今天, 寻找、构建准同型相界仍然是提升铁电材料压电性能的首选方法. 从热力学角度来看, 准同型相界处的高压电性能可以从本征晶格压电畸变的角度解释. 如图2所示, 随着组分靠近准同型相界, 在极化矢量处于稳态时的自由能曲线曲率减小, 这表明: 在外场扰动下PZT 自发极化矢量更容易发生旋转, 从而对压电效应产生贡献. 虽然, 这样的理解在PZT 时期就已存在, 正如文献[4]所述: “polarization rotation (without being called so) is an old conc-ept that was proposed more than 30 years ago to explain qualitatively enhanced properties of PZT in the MPB region”. 然而, 直到2000年, Fu 和Cohen [5]在Nature 上发表论文, 并将这种机理称为“Polarization Rotation Mechanism”后, 才被广泛宣传. 另一方面, 在MPB 附近, 畴壁运动对压电效应的贡献也被认为有显著提升, 这一点同样可基于图2进行定性的解释. 随着组分靠近MPB, 三方相与四方相之间的势垒降低. 因此, 在外场作用下, 三方相(或四方相)电畴中部分晶胞的极化矢量很容易“跳过势垒”, 从一个(亚)稳态转换到另一个(亚)稳态. 这种极化矢量的“跳转”(英文常称switch)对材料宏观介电和压电效应都会产生贡献.二是掺杂改性. 在PZT 中进行微量元素的掺杂, 可使其出现截然不同的性能. 从应用角度来看,掺杂主要分为“软”和“硬”两类.“软性”掺杂可提高PZT 陶瓷压电系数(d 33可达500—800 pC/N), 主要掺杂元素包括A 位掺Ba 2+, Sr 2+, 镧系稀土等,B 位掺Nb 5+, Ta 5+等; 硬性掺杂可降低PZT 陶瓷中的介电损耗和机械损耗(可降低一个数量级, 例如: 介电损耗可由1%降低到1‰), 从而满足一些大功率发射型换能器的应用要求. 硬性掺杂通常是采用低价态元素来替换B 位的Ti 4+或Zr 4+, 主要元素为Fe 2+/3+, Mn 2+/3+等.为了设计出具有更优异性能的压电材料, 研究者们开展了大量的研究工作, 来探索PZT 陶瓷的掺杂改性机理. 目前, 大多数关于掺杂机理的解释都是从畴壁运动角度出发. 简单来说, 硬性掺杂可使PZT 陶瓷的电畴结构更加稳定, 在外场作用下不容易被改变, 导致压电效应以及与畴壁运动相关的损耗同时降低; 软性掺杂导致PZT 陶瓷的电畴活动能力增强, 更容易被外场扰动, 因而展现出更高的压电性能. 为了辅助新材料的设计, 这种简单的认识显然是远远不够的, 我们需要知道不同的掺杂元素在PZT 中扮演的角色是什么, 为什么有些掺杂能使PZT 的自发极化更加稳定, 而有些却使其失稳. 遗憾的是, 经过了50余年的研究工作, 学者们虽然可以相对合理地解释PZT 陶瓷的硬性掺杂机理(即: B 位受主杂质与氧空位形成内建电场,此电场与电畴自发极化方向相同, 对电畴起到“钉扎”的作用, 使电畴更加稳定, 不易被外场扰动, 从而降低了压电效应以及介电、弹性损耗. 详细内容可参考文献[6, 7]), 但是对软性掺杂机理仍不清楚—引自文献[6, 7] (“Interestingly, while the origins of hardening are reasonably well under-stood, the reasons why PZT becomes soft with respect to the pure composition are not well understood, even after more than 50 years of intensive studies of this material.”), 显然, 揭示软性掺杂机理、获得具有更高性能的压电材料, 是当靠近MPB靠近MPB 曲率减小组分靠近MPB, 介电、压电效应增强自由能自发极化方向R [111]T [001]PbZr 0.60Ti 0.40O 3PbZr 0.55Ti 0.45O 3PbZr 0.52Ti 0.48O 3[111][111](a)(b)R [111](1¯10)[111][¯1¯11](1¯10)[111][¯1¯11]图 2 (a)热力学计算得到的三种不同组分PZT 自由能与自发极化方向的关系, 图中给出了自发极化在 面内由 方向转向 方向过程中自由能的变化情况; (b)自发极化在 面内, 由 方向转至 方向的示意图[111][¯1¯11](1¯10)Fig. 2. (a) Relationship between the free energy and the direction of spontaneous polarization of three PZT solid-solutions, calcu-lated by phenomenological theory; (b) the schematic of the rotation of the spontaneous polarization from to directionwithin the plane.前驱动器、传感器等压电器件小型化、高精度化发展的迫切需求. 本文最后将基于近些年的研究工作, 提出一些想法. 在这之前, 先介绍另一类重要的材料体系—弛豫铁电体.4 以PMN-PT为代表的一系列弛豫铁电陶瓷钙钛矿结构本身是一个非常有趣的晶体结构,它对元素取代有十分高的容忍度, 这就使得人们不仅仅满足于微量掺杂. 本着没有最好只有更好的信念, 材料工作者们开展了大量的掺杂工作, 获得了许许多多的铅基钙钛矿铁电陶瓷, 这其中有一类材料自成一派, 被称为弛豫铁电体[8−10]. 经典的弛豫铁电体主要有如下两种: 1)将PZT中的Zr完全由不等价的两种元素按照一定比例完全替换(如: Mg2+:Nb5+ = 1∶2, In3+:Nb5+ = 1∶1), 形成PMN-PT或PIN-PT固熔体; 2)在PZT中掺入7%—10%的La元素来取代A位的铅, 从而获得的PLZT. 弛豫铁电体的核心特点为: 1)在纳米尺度上存在晶体结构的不均匀(在PLZT中, 是由于La掺杂而引起的; 在PMN中, 是由于存在B位Mg2+和Nb5+离子的有序和无序区域, 这些区域尺寸约为几个纳米); 2)由于纳米尺度上的结构不均匀, 极性纳米微区出现在弛豫铁电体中(注: 传统意义的长程铁电畴尺寸通常在亚微米量级以上),因而在这些材料中会观察到很强的介电弛豫现象.由于与“纳米”结缘, 弛豫铁电相比于铁电又多了几分神秘色彩, 成为了从20世纪60年代至今铁电领域的研究热点. 弛豫铁电材料在电光调制器、电容器以及低滞后驱动器等方面均有重要应用. 例如,作为变形镜驱动器, 20世纪90年代被用于美国哈勃望远镜, 成功提高望远镜分辨率. 但经典的弛豫铁电陶瓷, 如PMN-PT陶瓷, 在压电性能方面并没有展示出明显的优势, 因而也没有引起足够的重视. 实际上, 弛豫铁电体在压电应用方面的重要性,一直到20世纪90年代弛豫铁电单晶生长技术的逐渐成熟后才被广泛关注.在介绍弛豫铁电单晶之前, 先总结一下压电陶瓷在1960—1990年间的研究工作. 在这段时间,铁电领域的前辈们合成了大量不同组分的压电陶瓷, 优化了它们的工艺, 研究了其性能. 最后, 人们总结发现, 铅基陶瓷压电效应与居里温度之间存在图3所示的制约关系[1]. 这里需要说明一下, 压电陶瓷与半导体材料不同, 未被赋予科技革命的重任. 因此, 在使用过程中, 压电器件通常不会配备专用的控温设备, 导致在使用过程中升温明显. 另一方面, 压电材料也还承担着诸如石油探测、深海通讯等高温高压条件下的工作任务. 因此, 居里温度也就成为了考核压电陶瓷的又一个重要指标. 居里温度越高, 材料极化状态的稳定性越高, 因而温度、电场以及压力条件下稳定性都有所提高. 这样一来, 获得同时具有高压电效应和高居里温度的压电陶瓷成为一项艰巨的任务. 时至今日, 压电性能与居里温度的制约关系仍然是压电材料领域的核心瓶颈问题之一.5 以PMN-PT和PZN-PT为代表的弛豫铁电单晶20世纪90年代中期, 弛豫铁电单晶[11−13]的问世让人们第一次看到突破上述瓶颈问题的希望,如图4所示[1,13]. 在美国、日本、中国、加拿大、韩国等国家的大力推动下, 弛豫铁电单晶的生长技术迅速提升, 晶棒直径在短短的10多年时间内发展到了4 in (1 in = 2.54 cm), 并成功应用于众多医疗B超换能器中, 例如: Philips的Pure Wave系列超声探头. 这里特别需要说明的是, 文献报道弛豫铁电单晶的第一次成功生长可追溯到1973年[11];同时, 早在1982年, Kuwata等[12]就报道了PZN-0.09PT单晶的压电性能. 但是, 由于当时生长水平的限制, PZN-0.09 PT单晶的性能相比于软性压电陶瓷没有表现出明显优势, 同时由于晶体尺寸仅为几个毫米, 很多性能没有被完全表征, 导致当时0100200300400500居里温度/C20040060080010001200140033/pCSN-1铅基陶瓷图 3 铅基陶瓷压电系数d33与居里温度T C的对应关系[1] Fig. 3. Relationship between d33 and T C for lead-based ceramics[1].并没有引起足够的重视. 包括Kuwata 与Uchino 本人在内, 也没有继续深入开展弛豫铁电单晶的生长研究工作, 这也使得最后因弛豫铁电单晶而闻名的人是Tom Shrout 和Seung-Eek (Eagle) Park.1995—1997年间, Shrout 和Park [13]获得了高质量的PMN-PT 和PZN-PT 弛豫铁电单晶, 单晶的最大压电系数达到2500 pC/N, 应变达到1.7%. 这项工作也使Shrout 和Park 成为了弛豫铁电单晶发展史上最为重要的两位科学家. 之后的短短数年，在包括我国中国科学院上海硅酸盐研究所罗豪甦研究员在内的一大批晶体生长学家的共同努力下，坩埚下降法被成功应用于弛豫单晶的生长，为定向生长大尺寸弛豫铁电单晶奠定了基础.除了为压电器件性能提升带来了一次机遇, 弛豫铁电单晶在基础研究方面也扮演着重要角色.从BaTiO 3发现至今, 能制备成单晶的钙钛矿铁电材料并不多, 而尺寸能够超过10 mm 的就更少.目前, 除了PMN-PT 等弛豫铁电单晶外, 只有BaTiO 3和铌酸钾钠(KNN)可以勉强达到这个尺寸. 另一方面, 许多基本测试又对晶体尺寸有一定要求, 如压电全矩阵表征、中子散射研究等. 因此,以PMN-PT 为代表的弛豫铁电单晶, 作为所有钙钛矿铁电体系中第一个能被“长大”的单晶, 为钙钛矿铁电材料结构-性能研究工作提供了材料基础.5.1 弛豫铁电单晶的学术价值1)从实验角度验证了铁电材料的本征压电效应在MPB 附近有显著提升在弛豫铁电单晶出现之前, PZT 陶瓷的研究工作虽然已开展了数十年, 但是人们始终无法找到合适的实验方法将本征压电效应与非本征压电效应(主要指畴壁运动)区分开. 在这种情况下, 大多数文献将PZT 陶瓷在MPB 附近性能的提升以及软性掺杂后压电效应的提高习惯性地归结于畴壁运动的贡献. 但这种认识的前提是: 本征压电效应的变化很小, 可以忽略. 然而实际情况是这样么?单晶材料显然是回答这一问题的“一把利器”. 利用合适的极化条件, 沿弛豫铁电单晶的自发极化方向极化晶体, 可以获得单畴单晶, 这样便可以完全将畴壁运动的贡献排除掉. 根据电场方向与自发极化方向的关系, 单畴铁电单晶的压电效应可以简单地分为两类. 1)纵向压电效应(电场方向与自发极化方向平行), 对应于自发极化在外场作用下的“伸缩”, 即强度变化; 2)剪切压电效应(外加电场方向与自发极化方向垂直), 对应于自发极化在外场下的“旋转”, 即方向变化, 如图5所示. 从热力学角100200300400500居里温度/C0200400600800100012001400 33/p C S N -1PMN -PT 单晶图 4 弛豫铁电单晶与铅基陶瓷压电性能对比, 陶瓷数据源于文献[1], 晶体数据来源于文献[13]Fig. 4. Comparison of d 33 between lead-based ceramics and relaxor-PT single crystals. The data of the ceramics is from Ref. [1]; the data of crystals is from Ref. [13].3311S极化伸缩极化旋转图 5 剪切与纵向压电效应示意图(对于任意的铁电畴,所受外加电场总可以按照电场与自发极化方向关系分为两类: 1)电场方向与自发极化相同的分量, E 3; 2)电场方向与自发极化垂直的分量, E 1. 图中红色箭头代表自发极化方向, 绿色箭头代表加电场后的自发极化方向)Fig. 5. Schematic of shear and longitudinal piezoelectric re-sponses. For a ferroelectric single-domain, the applied elec-tric field can be divided into two categories: 1) The electric field (E 3) parallel to the direction of the spontaneous polar-ization; 2) the electric field (E 1) perpendicular to the direc-tion of the spontaneous polarization. The red arrows repres-ent the direction for the spontaneous polarization, and the green arrows represent the direction for the spontaneous po-larization after applying an electric field.度可以很容易得到, 铁电晶体靠近顺电相时, 纵向压电效应提高; 靠近铁电-铁电相变点时(如三方-四方、三方-正交), 相应的剪切压电效应会提高. 利用弛豫铁电单晶, 可完美地实验证明了这一点. 如图6所示, 随着组分靠近准同型相界, 单畴弛豫铁电单晶的剪切压电效应大幅提高, 且远高于单畴纵向压电效应[15]. 因此, 这里需要特别指出的是, 弛豫铁电单晶高压电效应的根源是单畴剪切压电效应. 多畴结构晶体中的高纵向压电系数均可以通过对单畴晶体性能进行坐标变换来解释. 例如: 工程上最常用到的[001]极化的三方相弛豫铁电单晶(多畴状态)压电系数d 33, d 31等[14,15].如上所述, 弛豫铁电单晶的出现告诉我们:PT 基铁电体的本征压电效应本身就可以很高(～2000 pC/N), 远高于不少学者基于PZT 陶瓷研究的推断, 即本征压电效应在200 pC/N 量级.2)局域结构与压电效应存在重要联系紧接着带来的第二问题是: 高剪切压电效应是否与“弛豫铁电体”有所联系? 换句话说弛豫铁电体的结构特点, 即“局域结构在纳米尺度上的分布不均”, 是否能使其极化矢量更容易在垂直电场作用下发生旋转? 这是一个非常难以回答的问题, 也因此吸引了大量的研究人员. 然而, 到目前为止仍然存在争议. 说这个问题困难, 主要是缺乏一个“公平”的对比实验, 即: 保证所有其他条件都不变(比如: 居里温度、三方-四方相变温度), 只对晶体局域结构进行微调, 观察压电效应的变化. 对于PMN-PT 单晶来说, PZT 单晶是一个比较好的参照物. 因为, 同是PT 基钙钛矿晶体, 相比于PMN-PT, PZT 单晶在纳米尺度上的局域结构更为均匀(有中子散射实验为证, 图7[16]). 但是, 非常可惜,组分在准同型相界附近的PZT 单晶十分难于生长, 在很长一段时间内都缺乏满足测试条件的PZT 单晶. 直到2010年前后, 龙西法教授与叶作光教授才成功生长出了勉强满足测试条件的PZT 单晶, 压电系数约为1000 pC/N, 大约是PMN-PT 单晶的一半[16]. 此结果在一定程度上说明了PMN-PT 单晶中的局域结构不均匀很可能对压电效应有显著贡献. 但是, 这样的推断仍然不够严谨. 相比0.260.270.280.290.300.320.340.360.38组分压电系数/p C S N -1剪切纵向PMN - PT正交相单斜相三方相图 6 单畴PMN-PT 弛豫铁电单晶剪切、纵向压电效应与准同型相界的关系[15]Fig. 6. Shear and longitudinal piezoelectric properties versus MPB for single-domain PMN-PT crystals [15].-0.2-0.100.10.2( , , 1.1)012345弥散散射强度(a)PMN=1.7 K-0.2-0.100.10.2( , , 1.1)012345弥散散射强度(b)PZT=1.7 K图 7 PMN 与PZT 单晶的中子弹性弥散散射实验结果(图中纵轴为弥散散射强度, 其强度越大, 则表示局域结构无序性越强;插图给出了在(001)散射面附近测得的弹性散射强度等值线的形状)[16]Fig. 7. Neutron elastic diffuse scattering results for PMN and PZT single crystals. The y -axis represents the diffuse scattering in-tensity. The higher the intensity indicates the higher degree of the local structural heterogeneity. The inset figures give the contour maps of elastic scattering intensity measured near the (001) plane [16].于PMN-PT 而言, PZT 居里温度更高, 同时在三方-四方相变温度上也有所不同, 这些都可能是造成压电效应差异的因素. 缺少关键实验证据, 那么不依赖于实验的理论计算, 如密度泛函理论计算等, 是否可以解决这个问题呢? 答案是消极的. 原因在于, 构建一个足够大的超晶胞, 涵盖PMN-PT 单晶中B 位离子的准确分布, 是一项在目前十分棘手的工作.5.2 弛豫铁电单晶高压电效应起源的介观物理机制2006—2016年, 笔者课题组一直从事弛豫铁电单晶压电效应起源方面的研究工作. 2010年, 我们发现了一个十分重要的实验现象: 单畴弛豫铁电单晶中与极化旋转对应的介电常数(e 11/e 22)在低温段出现了异常的变化, 如图8所示[17,18]. 说它异常, 主要是因为这个现象无法用传统的热力学理论进行解释, 在出现异常的温度段并没有任何铁电相变发生. 在实验层面, 这项工作主要有以下两点贡献: 1)利用高质量单畴晶体做测试, 确定畴壁运动与介电、压电效应的低温异常衰减没有关系; 2)首次在单畴PMN-PT 晶体中发现了介电弛豫现象.这两个实验的发现使我们必须承认单畴PMN-PT 单晶与理想的铁电单畴有所不同. 如图8(d)所示, 低温段, 介电、压电效应经历了一个类似于“热激活”的过程, 这是弛豫铁电单晶在室温条件下具有高压电效应的关键因素.那么如何来解释这个实验现象呢? 单畴PMN-PT 与传统意义上的单畴铁电体的主要区别在哪呢? 通过对单晶结构表征工作的调研, 我们梳理出弛豫铁电单晶在结构方面的两个重要特点: 1)弛豫铁电单晶的长程铁电畴中, 存在着一些纳米尺度的区域, 这些区域的局域结构以及极化方向与长程铁电畴有所不同; 2)在远低于居里温度的条件下,随着温度的升高, 局域结构与长程铁电畴的区别逐渐减小, 在衍射实验中, 表现为弥散散射强度(diffuse scattering intensity)随温度升高而下降,如图9所示[19]. 根据弛豫铁电单晶结构特点, 在相100200300温度/K0.10.20.30.40.5介电损耗介电常数 11/ 0PMN -0.28PT (三方相)(a)约为室温的50%=2600100200300温度/K0.10.20.30.40.5介电损耗介电常数 11/ 0PZN -0.15PT (四方相)(b)约为室温的75%=40000.1 kHz 1 kHz 10 kHz 100 kHz0.1 kHz 1 kHz 10 kHz 100 kHz010*******温度/K压电效应-温度(c) 15 of PMN -0.28PT 单晶 15 of PZN -0.15PT 单晶相变温度室温介电/压电响应弛豫铁电单晶传统铁电单晶这个“跳跃”是驰豫铁电单晶有超高压电性能的基础(d)剪切压电系数/p C S N -1图 8 单畴弛豫铁电单晶低温介电、压电性能[17,18]　(a)单畴三方相PMN-0.28PT 单晶横向介电常数(e 11); (b)单畴四方相PZN-0.15PT 单晶横向介电常数(e 11); (c)两种晶体的低温剪切压电系数; (d)相比于传统铁电单晶, 弛豫铁电单晶室温高性能起因的示意图Fig. 8. Low-temperature dielectric and piezoelectric properties of single-domain relaxor ferroelectric single crystals [17,18]: (a) Trans-verse dielectric (e 11) permittivity for rhombohedral PMN-0.28PT crystal; (b) transverse dielectric (e 11) permittivity for tetragonal PZN-0.15PT crystals; (c) shear piezoelectric properties for relaxor-PT crystals; (d) the origin of the ultrahigh dielectric/piezoelec-tric properties in relaxor-PT ferroelectric crystals when compared to the conventional ferroelectric crystals.。

压电复合材料范文压电复合材料是一种由压电材料与复合材料相结合制成的材料。

压电材料是一类可以通过施加外部力或电场来产生电荷分离效应的材料，因而能够实现电能与机械能的互相转化。

复合材料是由两种或两种以上具有不同性质的材料组合而成的材料，能够兼顾不同材料的特性。

将压电材料与复合材料相结合，可以通过改变复合材料的结构和组分，进一步优化和调控其压电性能，使其具有更广泛的应用领域。

压电复合材料具有许多优点。

首先，由于压电材料的特性，压电复合材料可以根据外界的施加力或电场条件来调整其形变或产生电荷效应，从而能够实现对机械能和电能的高效转换。

其次，压电复合材料具有良好的强度和刚度，能够抵抗外部的冲击和振动，使得其在工程领域中具有广泛的应用潜力。

此外，压电复合材料的结构可以根据需求进行调整和改变，能够实现对其弹性模量和介电性能的调控，从而进一步扩展了其应用范围。

压电复合材料在工程领域中有着广泛的应用。

首先，压电复合材料可以应用于传感器领域。

传统的压电传感器通常采用压力敏感体的电容变化作为信号输出，而压电复合材料则可以通过外界施加的压力来改变其形变，并产生相应的电荷信号，从而实现对外界压力和应力的感知和测量。

其次，压电复合材料还可以应用于能量收集和转换领域。

由于其电能与机械能的高效转换特性，可以利用压电复合材料制备的能量收集装置来收集机械能并转化为电能，用于供电或储存。

再次，压电复合材料还可以应用于振动控制和噪声减小领域。

由于其良好的强度和刚度，可以将其用于减振和噪声控制装置中，有效减少机械振动和噪声。

此外，压电复合材料还具有一些潜在的应用方向。

例如，压电复合材料可以用于智能结构或自适应结构的制备。

其特殊的压电性能使得其可以实现对结构形变和动态响应的主动调控，从而使得材料能够根据外界环境或荷载条件做出自适应的调整，提高结构的性能和效能。

此外，压电复合材料还可以用于声表面波装置(SAW)和压电微机电系统(PMEMS)。

压电材料及压电效应的应用作者：宋海龙汪勇李昊东金丹来源：《硅谷》2014年第23期摘要压电效应技术以其特有的优势在能源紧缺的今天发挥了显著的作用。

自该技术使用以来，开发出了包括压电晶体、PbTiO3系压电材料、压电陶瓷及高聚物复合材料等新型压电材料。

目前压电效应技术在换能器、驱动器、传感器等方面得到了广泛应用。

关键词压电效应；压电陶瓷；换能器；传感器中图分类号：TM201 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0107-02世界经济的快速发展导致了能源消耗的剧增，随着不可再生能源的日渐枯竭以及出于对环境的保护，各国都在大力发展可持续的清洁能源。

光能、风能、太阳能等清洁能源逐渐引起人们的重视[1-2]。

利用压电效应可进行压力发电，因其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现小型化和集成化等优点，并且随着压电材料压电性能的提高及新型电力电子器件的使用，能够满足低耗能产品的电能需求而成为目前研究的热点之一[3]。

1 压电效应原理某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时，内部产生极化的同时，在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，此现象称为压电效应[4]。

压电效应分为正压电效应和逆压电效应。

所谓正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。

反之，当在晶体外部施加电场时，受电场影响的晶体会产生机械形变，称为逆压电效应。

2 压电材料分类压电材料经历了石英晶体、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等几个里程碑式的发展，现针对压电材料的主要类型进行简要介绍。

1）压电晶体。

压电晶体是较早的压电效应应用的材料，主要有石英晶体（SiO2）、水溶性压电晶体（酒石酸钾钠）以及铌酸锂晶体，由于压电单晶体的性能稳定，造价高昂，一般仅限用于标准仪器或精度要求较高的传感器。

压电陶瓷技术的发展逐渐有替代上述材料的趋势。

但是近些年来，各国学者为研制出新型晶体压电材料，做了大量工作。

《基于ZnO压电能量收集器性能研究》一、引言随着微型电子设备及可穿戴电子产品的普及，能量收集技术尤其是压电能量收集技术成为了研究的热点。

ZnO作为一种具有优异压电性能的材料，在压电能量收集器中得到了广泛的应用。

本文旨在研究基于ZnO压电能量收集器的性能，探讨其工作原理、性能参数及其在现实应用中的潜力。

二、ZnO压电能量收集器的工作原理ZnO压电能量收集器是利用ZnO材料的压电效应，将机械能转化为电能的一种装置。

当ZnO材料受到压力作用时，其内部正负离子会发生相对位移，产生电极化现象，从而在材料两端产生电压，实现能量的转化。

三、ZnO压电能量收集器的性能参数ZnO压电能量收集器的性能主要通过以下几个参数来衡量：1. 输出电压：表示压电能量收集器在受到压力作用时产生的电压大小。

2. 输出功率：表示压电能量收集器在单位时间内能够输出的电能大小。

3. 响应频率：表示压电能量收集器对不同频率压力的响应能力。

4. 稳定性：表示压电能量收集器在长时间工作过程中的性能稳定性。

四、ZnO压电能量收集器的性能研究针对四、ZnO压电能量收集器的性能研究针对ZnO压电能量收集器的性能研究，本文主要从以下几个方面进行探讨：1. 输出电压与压力的关系研究ZnO压电能量收集器在不同压力作用下的输出电压变化情况，探究压力与输出电压之间的线性关系或非线性关系，为优化压电能量收集器的设计提供依据。

2. 输出功率及能量转换效率通过实验测试ZnO压电能量收集器在单位时间内的输出功率，分析其能量转换效率。

同时，研究不同工作条件（如温度、湿度等）对输出功率和能量转换效率的影响，为提高压电能量收集器的实用性提供参考。

3. 响应频率特性探讨ZnO压电能量收集器对不同频率压力的响应能力，分析其频率响应特性。

通过实验测试，确定压电能量收集器在不同频率下的最佳工作点，为其在实际应用中的优化提供依据。

4. 稳定性及耐久性测试对ZnO压电能量收集器进行长时间的工作测试，观察其输出性能的稳定性。