压电材料的研究

摘要：本文阐述了各类新型压电材料的性能和应用。从压电材料的压电效应入手，介绍了压电材料的分类及发展应用。针对不同类型的压电材料在实际生活中的应用情况，概述了近年压电材料的研究状况，并系统地简介了压电材料在各个领域的应用和发展。

关键词：压电材料压电效应压电材料的分类研究方向实际应用压电材料的应用遍及大家日常生活的各个角落，人们几乎每天都在应用压电材料。香烟、电热水器、汽车发动机等的点火装置要用到压电点火器；电子手表、声控门、电话等要用到压电谐振器或者是蜂鸣器；收音机要用到压电微音器、压电扬声器；数码相机要用到压电马达等等。

压电材料不仅在工业和民用产品上使用广泛，在军事上也有大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。

压电材料还应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。

一、压电材料与压电效应

1880年，法国物理学家居里兄弟发现：把重物放在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，产生的电荷量与其承受的压力成比例，这一发现被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应：即在外电场作用下，压电体会产生形变。

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形变时，其内部会发生极化现象，同时在它的两端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。当去除外力后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。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。

二、压电材料的分类

我们可以将压电材料分为以下六类：

（1）单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；

压电单晶体，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，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

（2）陶瓷材料，如锆钛酸材料、钛酸铅材料；

压电陶瓷，是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。

（3）压电半导体材料，如氧化锌等；

（4）高分子聚合物，如聚偏二氟乙烯等；

压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料因其材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速。

（5）复合材料，如PZT／聚合物、PT／聚合物等；

复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。

（6）玻璃陶瓷，如Li2Si205、Ba2TiSi06等。

三、压电材料的研究方向

如今，压电材料的研究热点主要是在弛豫铁电单晶体、高居里温度压电陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五个方面，下面以压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷三种为例介。（1）压电复合材料

压电复合材料，是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。压电复合材料比原来的单相材料要复杂，性能方面的相加性、综合性和乘积性弥补了单

相材料的不足。压电复合材料是为了满足水听器的性能要求而得到发展的，目前主要用于大面积水听器基阵，水下接收和发射单元等器件。

但仍存在以下问题：极化处理工艺，复合材料在较高压力下的退极化问题，压电复合材料除外的其他耦合模式的开发与应用、压电陶瓷相压电性的提高，压电复合材料理论模型的进一步完善和应用研究。

（2）三元及多元系固溶体

以PZT陶瓷为基础，加入各种元素制成三元系、四元系等压电陶瓷。多元系压电陶瓷具有以下优点：能弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。近些年来，大功率压电材料以高机电耦合系数，高机械品质因数和低介电损耗成为压电陶瓷材料领域里的又一研究热点。

（3）无铅压电陶瓷

目前，无铅压电陶瓷的研究极为活跃，根据环境和人类社会可持续发展的要求，发展绿色材料及技术是发展材料的趋势之一。日本在无铅压电陶瓷的研究和开发上，论文和专利数量最多，在世界上占主导地位。国内的中科院上海研究所于2001年成功地开发了钛酸铋钠基元铅压电陶瓷系列

，但现今无铅压电陶瓷的压电性能远不如铅基压电陶瓷，还需进行深入的研究工作。

四、压电材料的实际应用

（1）生物领域

将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压电陶瓷来实现生物仿生；纳米发电机用氧化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液流动产生的机械能转变为电能，供给纳米器件来检测细胞的健康状况PVDF薄膜用在人体和动物器官的超声成像测量中。

（2）军事领域

压电材料能在水中产生、接受声波, 用于水下探测、地球物理探测、声波测试等方面；PZT薄膜因其热释电效应而应用在夜视装置、红外探测器上；利用压电陶瓷的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动控制；压电复合材料用在压力传感器检测机身外情况和卫星遥感探测装置中。

（3）光电信息领域

压电材料具有电光效应、非线性光学效应、光折变效应等光电特性, 在光电方面的应用有声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等；利用压电材料的压电效应和热释电效应可以对外界产生的信号进行处理、传输、储存, 用在机器人和其它智能结构中, 用PVDF压电材料制成触觉传感器已能感知温度、压力及识别边角棱等几何特征。

【参考文献】

[1] 严瑾瑜.压电效应及其在材料方面的应用.数字技术及应用100-101页

[2] 黄国平等.压电材料的发展与展望.科技广场,2001,(01)

[3] 孟洪等.PMNT及其在水声换能器上的应用[J].声学与电子工程,2004,(03)

[4] 李邓化等.新型压电复合换能器及其应用[M].北京:清华大学出版社,2007

[5] 胡柳等.压电发电技术的现状及展望[J].绿色科技,2010,(10)

[6] 盖学周.压电材料的研究发展方向和现状[J].中国陶瓷,2008,5(44):9-13

[7] 张传忠.压电材料的发展及应用[J].压电与声光,1993,3(15):64-10

[8] 钟俊辉.国外压电材料发展概况[J].电子材料,1995(10):1-5

[9] 胡南,刘雪宁,杨治中.聚合物压电智能材料研究新进展[J].高分子通报,2004(5):75-82

[10] 刘仁鑫,王万章.压电材料在汽车技术中的应用[J].拖拉机与农用运输车,2007,5(34)4-5

[11] 穆健,李淑红,张春雷.压电材料在柔性结构振动控制中的应用[J].聊城大学学报,2004,3(17):33-36

[12] 李传兵,廖昌荣,张玉璘等.压电智能结构的研究进展[J].压电和声光,2002,1(24):44-49

[13] 李月明,程亮,顾幸勇等.高居里温度压电材料的研究进展[J].陶瓷学报,2006,3(27):309-315

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

关于压电材料

现阶段研究较多的压电复合材料是由压电陶瓷 (如PZT，PbTiO。)和聚合物(如PVDF，环氧树脂) 复合成的。岳鹏等c10]用化学溶解、旋涂成膜、多层 膜热压制得PZT体积分数60％、介电常数100左 右的PZT／PVDF复合材料。徐任信等[111运用热压 工艺制备了。一3型PZT／PVDF压电复合材料，加入 适量石墨后可以明显提高复合材料的极化性能。 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。 能将压力转换成电压的装置我所知道的应该就只有压电晶体了。压电晶体不同的成分有不同的转换关系。通常在购买的时候附上的说明书里会给出压电转换的经验公式或者实验数据。可以根据产品的型号、成分等信息网上搜索相关的压电转换公式 主要参数 （1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2）压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）对于一定形状、尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 （6）压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 压电转换 压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压电常数 更一般表达式：电荷密度q ，（用单位面积受力表示） 其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷 受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式：

压电材料及其应用

压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118

压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作

压电式传感器的发展与应用

HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28

前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。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。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

压电陶瓷材料的发展及应用

压电陶瓷材料的发展及应用 美国Sandia研究所的Haertling在1964年发现，如果在Pb(Ti,Zr)O 3 中 添加少量的Bi 2O 3 进行热压成型时,烧结得很好，这种多晶材料的铁电电滞回线呈 现明显的矩形特性。此后，兰德（Land）等人发现，这种陶瓷被研磨成薄片时透光度高，随着晶体粒度的不同显示出二种电光学效应，即粒度为2微米以上的极化了的粗晶粒陶瓷片，散射光的强度随着极化轴的角度发生变化；2微米以下的微细晶粒陶瓷片,则呈现出以极化为光轴的单轴性负光学各向异性,双折射率随偏置电压的改变而变化.这种陶瓷是一种很有价值的新型电光学材料.这一发现是铁电性透明陶瓷展的开端。 1971年美国Haertling和Land用La置换一部分Pb的 Pb 1-x La x (Zr y Ti i-y ) 1-(x/4) O 3 组成(简称PLZT)进行热压烧结成型,所得陶瓷研磨的薄片 具有电控双折射、电控可变光散射等特性,可用作关阀、电光调制器和光记忆元件,PLZT是一种很有价值的新型电子材料,是20世纪70年代铁电陶瓷的重大进展。 透明铁电压电陶瓷的问世,一方面是由于客观上性技术的发展对铁电压电陶瓷材料在电光方程面的应用提出了要求,另一方面,是由于长期以来人们对铁电压电陶瓷进行了大量的研究实践(特别是热压工艺)的结果。具体的工作在1967年左右开始,1970年5月宣布了透明铁电陶瓷试制成功,随后报道了各种应用研究,1972年改进了工艺方法,提高了厚片的透明度,1973年又发展了不用热压而用通氧烧结的方法成功地制造了较大面积的透明铁电压电陶瓷。在此期间,陆续报道的各种有关的应用或实验结构有铁电显示器、光阀、光信息存贮器、偏置应变存贮显示器件、反射式偏置应变存贮显示器件、散射式存贮显示器件、染料激光波长选择器件、全息存贮输入器件等等。各方面应用的研究正在不断发展中. 透明铁电压电陶瓷的发展,给铁电压电陶瓷开辟了新的应用领域－电光应用,过去电光器件用的是单晶铁电材料,但由于单晶材料存在一些缺点,例如尺

压电材料的研究

摘要：本文阐述了各类新型压电材料的性能和应用。从压电材料的压电效应入手，介绍了压电材料的分类及发展应用。针对不同类型的压电材料在实际生活中的应用情况，概述了近年压电材料的研究状况，并系统地简介了压电材料在各个领域的应用和发展。 关键词：压电材料压电效应压电材料的分类研究方向实际应用压电材料的应用遍及大家日常生活的各个角落，人们几乎每天都在应用压电材料。香烟、电热水器、汽车发动机等的点火装置要用到压电点火器；电子手表、声控门、电话等要用到压电谐振器或者是蜂鸣器；收音机要用到压电微音器、压电扬声器；数码相机要用到压电马达等等。 压电材料不仅在工业和民用产品上使用广泛，在军事上也有大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。 压电材料还应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。 一、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家居里兄弟发现：把重物放在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，产生的电荷量与其承受的压力成比例，这一发现被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应：即在外电场作用下，压电体会产生形变。 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形变时，其内部会发生极化现象，同时在它的两端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。当去除外力后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。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。 二、压电材料的分类 我们可以将压电材料分为以下六类： （1）单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；

压电材料概述

压电材料概述 齐鹏飞 0900501331 中国计量学院材料学院09材料3班，杭州 310018 摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。 关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向 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。由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器， 医学成像等。 1、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把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。这一现象被称为压电效应。随即， 居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压 电体会产生形变。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较 低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的 相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏 观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面 法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端 面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。 2、压电材料的发展与应用 自从1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足的进展。第二次世界大战期间，磷酸二氢铵(ADP)、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。1921年，J．Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。其铁电性引起了科学界的广泛关注，并为了解释其铁电性提出各种铁电模型，从而促进了诸如LiNb03、LiTa03的各种类型的压、铁电晶体的出现。 1947年s．Robert发现BaTiO3。的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅(PZT)陶瓷的具有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3 陶瓷的一倍。在以后的30年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料.PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。近十年来，以PT ／PZT为基础，各种新型的功能陶瓷得到快速发展，对其进行性能改进的主要手段主要是在其化学组成上添加含Bi3+、W6+、Nb3+、La3+等高价离子氧化物或者K+、Mg2+、Fe3+等低价离子氧化物，将PZT材料变成相应的“软性材料”或“硬性材料”，其应用领域各不相同。在PZT中入PWN可制成三元系压电陶瓷(P04)，国内的压电与声学研究所张福学在PZT中加入PMS制成了PMS三元系压电陶瓷材料等等，这些被改进的PZT材料其综合性能都有显著的提高，可应用于各种不同环境领域。由于以上几种基于PZT／PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如SiBi4TiO等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。 1956年B．T．Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。1968年先后发现了硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。1969

CCTO压电材料的研究

钛酸铜钙（CCTO）的合成改性研究 卢峰 摘要：从1964年摩尔提出了著名的摩尔定律——晶体管的集成程度会在18个月翻一番。一直到今天这条定律仍然适用，而支持着半导体工业集成电路高速发展的动力离不开作为基质的介电材料。钛酸铜钙（CCTO）作为近年来发现的一种“巨介电材料”迎合了这种高速发展的需要，对于钛酸铜钙CCTO的研究也成为相关领域的热门研究课题，本文将对当前对钛酸铜钙的最新研究成果做一些介绍。 关键词：钛酸铜钙，CCTO，介电材料 引言 近年来随着电子产品智能化的提速，对相关元件的要求也越来越高，作为支撑电子产品基础的晶体管的要求自然更加“苛刻”，微型化、集成化、智能化的要求对基础材料也提出了严峻的挑战。 高介电材料一直是人们研究的热点，常见的高介电材料主要分三类：铁电材料，金属氧化物，氮化物。这其中，铁电材料的介电常熟一般高于金属氧化物和氮化物（氮化物的介电常数最小），某些钙钛矿型介电材料在常温下的介电常数可105。CCTO的介电常数达到104以上，是一种理想的介电材料，当然由于CCTO的节电损耗大，介电常数受制备因素影响，即对制备过程敏感，使得CCTO 的应用受到相当程度的制约。 CCTO早在1967年就由Deschanvres等人合成出来，直到2000年才由subramanian等人报道了其优异的介电性能。但是，直到今天，仍然没有一套完整的理论去解释CCTO的“巨介电性”，这也限制了CCTO的改性研究。当前对于CCTO的改性研究主要集中在掺杂与复合，而复合又涵盖了无机-无机复合和无机-有机复合。 1. 结构特征 CCTO为体心立方类钙钛矿型晶体结构(如图1所示)，属于Im3空间群，常温下的晶格常数为0.7391 nm。单胞中各原子坐标为：Ca(0，0，O)，Cu(0，l／2，1／2)，Ti(1／4，1／4，1／4)，O(0.3038，0.1797，0)。晶胞中Ti原子处于氧八面体中心位置，Ca2+和 Cu2+分别以3：1的比例占据八个顶角，而Cu2+近邻的4个O2+形成CuO4的正方形平面配位，所以TiO6八面体并未沿c轴排列，而是发生了倾斜，Ti-O-Ti键角为 141。，Ca与O没有形成化学键。具有该结构的物质是很好的高介电材料。CCTO样品的电极化特性与TiO6八面体的晶格畸变密切相关。

压电材料概述

压电材料概述 班级：稀土10-1 姓名：韩飞飞 学号：1077145129 指导老师：蔡颖 时间：2012-11-30

压电材料概述 摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。 关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向 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。由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器， 医学成像等。 1、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把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。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致

材料变形。 材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。 2、压电材料的发展与应用 自从1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学

压电陶瓷技术发展的历史与应用

压电陶瓷是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，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。 1880年法国人居里兄弟发现了"压电效应"。 1942年，第一个压电陶瓷材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。 1947年，钛酸钡拾音器--第一个压电陶瓷器件诞生了。 50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。 从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。 80年代后期至今，人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料，为三维超声波成像奠定了基础。目前，人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。 g ε d g k 居里点℃ 水晶（石英） 4.5 2.3 53 10 1200 罗息盐200 165 93 54 40 钛酸钡1700 190 12 45 120 锆钛酸铅2100 410 22 65 300 从表中可看到，锆钛酸铅材料是当前性能较好应用最广的材料，通过改性，性能还可进一步改善，能够用于制作各种压电器件。上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb (Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Ｐb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。 近年来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。 利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮

压电材料的制备应用及其研究现状

合肥学院 Hefei University 综述题目压电材料的制备应用及其研究现状课程名称无机材料物理性能 指导教师 系别/班级 姓名 学号

压电材料的制备应用及其研究现状 摘要：从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同压电材料在生产实践中的应用情况,列出现阶段压电材料的制备技术。综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。关键字：压电材料；压电效应；制备技术；应用；发展 1.引言 随着高新技术的不断发展, 作为促进现代社会进步三大支柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。特别是进入本世纪七十年代以来, 由于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量行业的迅速崛起,要求材料的功能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高,使智能材料的研究更加受到人们的青睐。目前,可作为智能材料系统中的执行材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等; 可作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料,其中压电材料能够自适应于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,是智能材料系统中的主导材料。 2 压电材料概述 2.1 压电效应 压电体，即在受外力情况下可产生电荷（正压电性）或在受外电场情况下可产生形变（逆压电性）的电介质体。1880 年，法国著名科学家雅克·居里和皮埃尔·居里在对石英晶体的研究过程中首次发现正压电效应。不久之后，二人通过理论分析及实验测试证实了逆压电性的存在。 2.2 压电材料类别 第一类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。 第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。 第三类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。 3 压电材料的制备方法 3.1无机压电材料块体的制备工艺 要制备块体压电材料,首先要制备压电材料粉末,然后在压力机下预压成坯体,分别在650 ℃和 850 ℃预烧 2h,再研磨粉碎。在这里主要有2种方法形成块体。(l) 把粉末装人所需要形状的模具内加人PVA,在压力机下或采用等静压加l00MPa压力制成圆片(注意:圆片的直径与厚度之比大于10),再把圆片放人刚玉板上,在圆片的周围撒一些践仇粉末,然后用刚玉增祸覆盖圆片(目的是使挥发的Pb在刚玉柑祸内形成保护气氛,从而减少配比中Pb的损失 );或者在称量时多称量计算质量5 %(一般在做实验时,上述2种方法都采用),一起放人高温炉中缓慢加温至4阅℃左右(除去PVA),保温0.5h,然后加温到12(X) ℃下保温2h。随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。(2)把装有粉末的模具放人热压炉中加压烧结(保护Pb的损失可采用上面提到的方法),当加温到12℃下保温 2h。随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。 制备压电材料粉末主要有以下3种方法: (l) 直接混合球磨法以 PZT为例。将氧化铅、氧化错和氧化钦按一定摩尔

压电陶瓷发展前景及应用

压电陶瓷的概念及发展应用 摘要：压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长，据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。本文主要介绍压电陶瓷的概念和应用范畴、应用实例、前景，带领大家了解陶瓷家族中的一员----压电陶瓷。 关键词：陶瓷压电陶瓷压电效应应用范畴应用实例 一、基本概念 压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、和电能互相转换的功能陶瓷材料，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。 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、频率控制等功能。 二、压电陶瓷的应用范畴 利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。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。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。

1、在军事上，在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的"眼睛"--压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。 2、在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。 3、在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏。还有电视机里的变压器--电压陶瓷变压器，它体积变小、重量减轻，效率可达60%～80%，能耐住3万伏的高压，使电压保持稳定，完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具都会发出逼真有趣的声音。在汽车上应用：在汽车的制动器活塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支撑板施加“抖动”频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情况下发挥作用。压电陶瓷也可用作汽车的压电陶瓷爆震传感器、超声波传感器、加速度传感器等类别。压电陶瓷在汽车燃油系统的喷油器上应用目前处于最前沿的开发阶段。 4、在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的"舵"。依靠"舵"，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。 三、压电陶瓷的应用实例 1.压电陶瓷喷油器 压电陶瓷喷油器柴油机系统是迄今为止柴油机电控喷油技术中，结构最完善、性能最先进、技术难度最大、最有发展前途的电控喷射系统。它具有以下特征:高压的产生和喷油控制是分别独立进行的，喷油压力可以根据发动机的运行工况，在较宽范围内进行调节;它还能实现预喷射、主喷射以及多次喷射等;可以自由地改变喷油参数和喷油形态可以高自由度地控制燃油喷射，大大提高柴油机的燃烧效率、降低排放水平、提高发动机的性能。 （1）、德国公司到目前为止共设计了3代高压共轨系统。第一代于1977年7月批量投放市场，喷射压力达135MPa，主要应用于轿车。第二代2000年开始批量生产，最大系统压力提高到160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压油泵、经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成，采用降噪新技术。第三代产品于2003年5月推出，最高压力可达160MPa。2005年末推出的第三代共轨系统的改进型采用了压电陶瓷执行器，其运动部件由原来的4个减少为1个，运动质量减少75%，开关时间比电磁阀少50%。该系统的喷射压力为160MPa，喷油器响应时间为0.lms，每次循环可实现5次喷射。目前正在开发的第四代共轨喷射系统，最高喷射压力可达 25OMpa，并允许喷油压力逐步上升。 （2）、日本电装公司:其典型代表是它的ECU一UZ系统。该系统由高压油泵、共轨、喷油器、和ECU各种传感器组成。高压油泵上有一个泵控制阀PCV，共轨压力由高压油泵的供油量来控制。安装在共轨上的压力传感器对油压进行反馈控制，使之维持在由发动机转速和负荷确定的目标值。喷油量取决于施加在三通阀上的喷油脉宽，喷油正时取决于喷油脉冲施加于三通阀的时刻。ECU一UZ系统能实现对喷油量、喷油正时、喷油

压电材料的制备应用及其研究现状.

压电材料的制备应用及其研究现状 马瑶 （中南大学材料科学与工程学院材料1102班 0607110203，湖南长沙） 摘要:从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同 压电材料在生产实践中的应用情况,列出现 阶段压电材料的制备技术。综述了近年来压 电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料 在各个领域的应用和发展。 关键字：压电材料; 压电效应; 制备技术; 应用；发展 1引言 随着高新技术的不断发展, 作为促进现 代社会进步三大支柱之一的新材料技术业已 成为世界各国学者们争相探索和研究的热点 领域。特别是进入本世纪七十年代以来, 由 于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量 行业的迅速崛起,要求材料的功能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高,使智能材料的研究更加受到人们的青睐。有人预言, 二十一世纪的新材料技术将是以智能材料为 代表的时代, 因此,开展智能材料的研究具 有十分重大的战略意义。智能材料与结构是 一类具有传感、驱动和控制功能于一体的材 料系统,它具有类生物的功能,通过自身的感 知和驱动属性,实现材料驱动功能与智能化; 通过感知与响应内外界环境的变化,达到自 适应的目的。目前,可作为智能材料系统中的执行材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等; 可作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料,其中压电 材料能够自适应于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,是智能材料系统中的 主导材料[1]。 2压电材料概述 2.1压电效应 压电体，即在受外力情况下可产生电荷（正压电性）或在受外电场情况下可产生形变（逆压电性）的电介质体。1880 年，法国著名科学家雅克·居里和皮埃尔·居里在对石英晶体的研究过程中首次发现正压电效应。不久之后，二人通过理论分析及实验测试证实了逆压电性的存在。在第一次世界大战中，法国物理学家朗之万利用石英晶体研制出第一个水声压电换能器。随着压电研究的不断深入，目前压电材料被广泛应用于水声换能器、医用B超探头、超声马达、石油测井探测器、无损检测（NDE）以及压电驱动

PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势

PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势 摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。 关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅 前言 压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。 1、压电陶瓷的基本原理及概念 压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的

变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。 在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。固溶体．冷却温度在居里温度以上时，其结构为立方晶系钙钛矿型，到居里温度时发生相变并发生自发极化转成铁电相。PZT的晶格常数随组成的不同而不同，在四方铁电相区域，随着PbZrO3含量的增加a(=b)轴显著增大，c轴稍有缩短，晶胞体积增大，使得它有良好的机电耦合系数和机械品质因素。此后，研究者们利用掺杂的办法利用三元系不断改进其压电性能。 机电耦合系数：压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示，即：k33=E c/E e.通常用K33表示。 机械品质因数：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数，它是一个无因次的物理

有关功能材料及其发展的几点认识

有关压电陶瓷的几点认识 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、频率控制等功能。 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。 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，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。 常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物,可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷,如偏铌酸钾钠 (Na0.5·K0.5·NbO3)和偏铌酸锶钡(Ba x·Sr1-x·Nb2O5)等,它们不含有毒的铅，对环境保护有利。 制造特点 压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。一般极化电场为3～5kV/mm，温度100～150°C,时间5～20min。这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数可高达0.313～0.694。 压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。 陶瓷特性 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应