中南大学
课程设计论文
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专 业：材料加工
班 级：1010
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二○一二 年 十一 月
一、压电效应（piezoelectric effect）概述
1.1 压电效应的定义
某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形 ，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。
1.2 压电效应分类滴水架
压电效应分为正压电效应和负压电效应。
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正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。通过此过程把机械能转化成电能的现象，称为正压电效应 负压电效应：当在电介质极化方向施加电场，引起晶体机械变形的现象，称为负压电效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期
性变化，从而产生机械振动。也称为电致伸缩效应。
1.3 压电效应的特性与作用：由压电效应原理可知，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。因此，压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。
1.4 压电效应的历史和发展
压电效应是1880年由法国著名物理学家，放射学先去皮埃尔•居里先生和雅克•保罗•居里发现的。他们发现某些晶体特别是石英等受到挤压或者拉伸力的作用后，会在相对的两个平面上产生异号电荷，且密度与电压成正比。一旦电荷出现，放点过程的发光便相伴而生。由此可知，当石英晶质体绵延几公里的时候，震前上百巴的应力变化足以造成百万伏的触发电压，低空的放点发光便在情理之中。
经过一百多年的研究，人们发现压电效应有两种，机械能转变为电能是正效应，相反为逆效应，而且有20多种晶体均含有压电效应。人工已经合成了大量的性能更佳的压电陶瓷材料，不仅发现压电材料在机械能，电能，热能，光能之间有相互转换的良好关系，还发现人体组织，毛发和骨骼都有生物压电效应。我们日常使用的打火机，音响，手机，电子表等等都使用了压电材料。目前这种材料制成的产品已广布于各个领域。 二、压电晶体
2.1 什么是压电晶体：有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。
2.2 晶体有无压电效应的判断：晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。
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2.3 压电晶体的功能：
(1)压电效应：当外力加于晶体上时，晶体发生形变，导致在受力的两个晶面上出现等量异号的电荷。压力产生的极化电荷与拉力产生的极化电荷的方向相反，如图7－64 所示。极化电荷的多少与外力引起的形变程度有关。压电效应产生的原因是，在外力作用的方向上，由于晶体发生形变造成晶格间距的变化，使得晶粒的正负电荷中心发生分离，从而产生极化现象。
(2)电致伸缩效应：压电晶体在电场力的作用下发生形变的现象，叫做电致伸缩效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。
(3)热电效应：某些压电晶体通过温度的变化可以改变极化状态，从而在某些相对应的表面上产生极化电荷，这种现象叫做热释电效应。反之，这种晶体在外电场作用下，其温度会发生显著变化，这种现象叫做电生热效应。热释电效应的发生源于晶体的各向异性，是由于晶体在不同方向上的线膨胀系数不同而引起的。
2.4 常见压电晶体材料：shenh闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐（sodiumchlorate）、电气石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料是不会产生压电性的。
2.5 压电晶体的常见应用：
（1）压电陶瓷：压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器，就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之产生十几kV的高电压，从而产生火花放电，达到点火的目的。 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。它是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的：差不多十年之后，贾菲（Jaffe）等又发现PbTi03-PbZrO2系（即所谓PZT系）及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。特别是三元系压电陶瓷的出现，使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地，能满足多种电子仪器的要求，从而使压电陶瓷的
应用范围大大增加了。例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器，电声换能器，水声换能器，声表的波器件，电光器件，红外探测器件和压电陀螺等，都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。
（2）压电性特异的多元单晶压电体 ：传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。
2.6 压电材料应用举例：
压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括
电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。
(1)换能器
换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件
压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。
压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制
备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。
