压电效应-经济百科

压电效应(Piezoelectric Effect)

什么是压电效应^[1]

压电效应是指某些电介质在外力作用下发生形变时，电介质的两边表面上会产生电荷积累和电压的现象。

压电效应的分类^[2]

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应：

①正压电效应。是指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。

②逆压电效应。是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形振动的现象，又称电致伸缩效应。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振"。

利用逆压电效应，对压电材料施加一定的交变电压信号，使它产生形变而推动空气发出声音；将压电材料的逆压电效应和正压电效应相结合，可完成电信号的传输和滤波等。

压电效应的应用^[3]

压电效应在材料方面的应用，一般具有钙钛矿、钨青铜、铋层状等结构的材料能产生压电效应，这些材料的形状一般呈粉体、纤维状、薄膜或块状，按组成组元分为压电单晶、压电陶瓷(压电多晶)、压电聚合物、复合压电材料等。

1.压电晶体

较早使用压电晶体有石英晶体、罗息尔盐、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵(ADP)、酒石酸乙烯二铵(EDT)、酒石酸二钾(DKT)和硫酸锂等，由于陛能上的缺陷，仅有石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外，性能好并且使用量大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)，它们大量地用作声表面波(SAW)器件。近年来，对弛豫型铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(1 ? x)Pb(Mg_{1 / 3}Nb_{2 / 3})O₃ ? xPbTiO₃(缩写为PMN—PT)的研究非常引人关注。

总体而言，压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性(多属高频狭带通)的滤波器以及高频、高温超声换能器等。

2.压电陶瓷

与压电单晶相比，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。

BaTiO₃是最早发现的压电陶瓷，但存在谐频温度特性差的缺点。当用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO₃中的Ba，可以改进BaTiO₃陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO₃,电陶瓷。

像BaTiO_3的单元系压电陶瓷，还有PbTiO₃和PbZrO₃等。PbTiO₃陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高(490℃)、各向异性大(c／a=1．064)和介电常数小(ε=200)等特点。另外，它的谐频温度特性也比较好，并且频率常数比PZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO₃压电陶瓷，因为PbTiO₃陶瓷烧结后，冷却到居里点(490℃)时易出现微裂纹，甚至破碎。所以常采用Mn、W、Ca、BI、La和Nb对其进行改性，使其具有良好的压电性能。

锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。PZT的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度(～300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素改性后，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷。

3.压电高聚物

与压电陶瓷和压电晶体相比，压电聚合物具有高的强度和耐冲击陛、显著的低介电常数、柔性、低密度、对电压的高度敏感陛、低声阻抗和机械阻抗、较高的介电击穿电压，在技术应用领域和器件配置中占有其独特的地位。以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的压电高聚物薄膜压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，因此PVDF在许多技术领域都有应用，特别是用于制作液体、生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作的阻抗匹配更好的换能器。

4.压电复合材料

压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的，通常见到的是由压电陶瓷(如PZT)和聚合物(如聚偏氟乙烯或环氧树脂)坌且成的两相复合材料。这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点，与传统的压电陶瓷或与压电单晶相比，它具有更好的柔顺性和机械加工性能，克服了易碎和不易加工成形的缺点，且密度小，声速低，易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与聚合物压电材料相比，它具有较高的压电常数和机电耦合系数，因此灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料所没有的新特陛，如当压电材料与磁致伸缩材料组成的复合材料具有磁电效应。

目前压电材料研究的热点主要集中在弛豫型单晶(如PMN-PT)、多元体系复合材料(如PZT-PVDF、PLN—PMN—PZT、PLN—PMN—PZT)以及高居里温度压电材料(如BiScO₃ ? PbTiO₃、(1 ? x)LiNbO_{3 ? x}(Na,K)(Nb_yTa_{1 ? y})、Pb_xBa_{1 ? x}Nb₂O₃ + TiO₂ + Me^{2 +})、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷材料(如钛酸铋钠)等方面。