壓電材料

壓電材料無機(jī)壓電材料

分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實(shí)際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發(fā)極化方向反向平行的180 疇和自發(fā)極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化（施加強(qiáng)直流電場）條件下，自發(fā)極化依外電場方向充分排列并在撤消外電場后保持剩余極化強(qiáng)度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的研制成功，促進(jìn)了聲換能器，壓電傳感器的各種壓電器件性能的改善和提高。

壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點(diǎn)陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。

相比較而言，壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用來作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。由于鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3單晶體（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特異，國內(nèi)外上都開始這種材料的研究，但由于其居里點(diǎn)太低，離使用化尚有一段距離。

壓電材料有機(jī)壓電材料

又稱壓電聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）及以它為代表的其他有機(jī)壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。第三類是復(fù)合壓電材料，這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。

壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。

壓電材料換能器

換能器是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的器件壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動(dòng)下的彎曲振動(dòng)，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點(diǎn)，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。

壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級相同等特點(diǎn)，最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動(dòng)。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。

壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。

壓電材料驅(qū)動(dòng)器

壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng)，聚合物驅(qū)動(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動(dòng)下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。

壓電材料傳感器

1.壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時(shí)要特別注意，避免漏電。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動(dòng)或過大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢。

2.壓電式加速度傳感器

壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

測量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí)，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動(dòng)速度或位移。

壓電材料機(jī)器人

機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備工作；其二，探測機(jī)器人手和足的運(yùn)動(dòng)空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時(shí)采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。

超聲波是人耳聽見的一種機(jī)械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動(dòng)頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。

超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時(shí)電路和控制電路四個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開始檢測回聲信號，定時(shí)電路也開始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時(shí)間。

利用傳播時(shí)間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡單，即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。

壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。那么，什么是壓電效應(yīng)呢？ 當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí),就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓,進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?。于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。

壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

下面介紹幾種處于發(fā)展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應(yīng)用。

壓電材料細(xì)晶粒壓電陶瓷

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級，可以改進(jìn)材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機(jī)械強(qiáng)度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)動(dòng)電壓，這對提高疊層變壓器、制動(dòng)器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時(shí)也帶來了降低壓電效應(yīng)的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃?。制作?xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動(dòng)器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開發(fā)仍是熱點(diǎn)。

壓電材料PbTiO3系壓電陶瓷

PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)品難的問題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結(jié)性。抑制晶粒長大，從而得到各個(gè)晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報(bào)道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應(yīng)用。該材料的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。

壓電材料壓電復(fù)合材料

無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢。國內(nèi)學(xué)者對這個(gè)領(lǐng)域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作，正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)。

壓電材料多元單晶壓電體

傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)變，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2 ,Mg2 ）。這類單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍。美國、日本、俄羅斯和中國已開始進(jìn)行這類材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。

• 壓電系數(shù)d33壓電系數(shù)是壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能或把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的轉(zhuǎn)變系數(shù)，反應(yīng)壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關(guān)系

• 自由介電常數(shù)εT33（free permittivity）電介質(zhì)在應(yīng)變?yōu)榱悖ɑ虺?shù)）時(shí)的介電常數(shù)，其單位為法拉/米。相對介電常數(shù)εTr3（relative permittivity）介電常數(shù)εT33與真空介電常數(shù)ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一個(gè)無因次的物理量。介質(zhì)損耗（dielectric loss）電介質(zhì)在電場作用下，由于電極化弛豫過程和漏導(dǎo)等原因在電介質(zhì)內(nèi)所損耗的能量。損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）理想電介質(zhì)在正弦交變電場作用下流過的電流比電壓相位超前90 0，但是在壓電陶瓷試樣中因有能量損耗，電流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ ψ=900）稱為損耗角，它是一個(gè)無因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來表示介質(zhì)損耗的大小，它表示了電介質(zhì)的有功功率（損失功率）P與無功功率Q之比。即： 電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe（electrical quality factor）電學(xué)品質(zhì)因數(shù)的值等于試樣的損耗角正切值的倒數(shù)，用Qe表示，它是一個(gè)無因次的物理量。若用并聯(lián)等效電路表示交變電場中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm（mechanical quanlity factor）壓電振子在諧振時(shí)儲(chǔ)存的機(jī)械能與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的機(jī)械能之比稱為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。它與振子參數(shù)的關(guān)系式為：泊松比（poissons ratio）泊松比系指固體在應(yīng)力作用下的橫向相對收縮與縱向相對伸長之比，是一個(gè)無因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11串聯(lián)諧振頻率fs（series resonance frequency）壓電振子等效電路中串聯(lián)支路的諧振頻率稱為串聯(lián)諧振頻率，用f s 表示，即并聯(lián)諧振頻率fp（parallel resonance frequency）壓電振子等效電路中并聯(lián)支路的諧振頻率稱為并聯(lián)諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）使壓電振子的電納為零的一對頻率中較低的一個(gè)頻率稱為諧振頻率，用f r 表示。反諧振頻率fa（antiresonance frequency）使壓電振子的電納為零的一對頻率中較高的一個(gè)頻率稱為反諧振頻率，用f a 表示。最大導(dǎo)納頻率fm（maximum admittance frequency）壓電振子導(dǎo)納最大時(shí)的頻率稱為最大導(dǎo)納頻率，這時(shí)振子的阻抗最小，故又稱為最小阻抗頻率，用f m表示。最小導(dǎo)納頻率fn（minimum admittance frequency）壓電振子導(dǎo)納最小時(shí)的頻率稱為最小導(dǎo)納頻率，這時(shí)振子的阻抗最大，故又稱為最大阻抗頻率，用f n表示?；l（fundamental frequency）給定的一種振動(dòng)模式中最低的諧振頻率稱為基音頻率，通常成為基頻。泛音頻率（fundamental frequency）給定的一種振動(dòng)模式中基頻以外的諧振頻率稱為泛音頻率。溫度穩(wěn)定性（temperature stability）溫度穩(wěn)定性系指壓電陶瓷的性能隨溫度而變化的特性。在某一溫度下，溫度變化1℃時(shí)，某頻率的數(shù)值變化與該溫度下頻率的數(shù)值之比，稱為頻率的溫度系數(shù)TKf。另外，通常還用最大相對漂移來表征某一參數(shù)的溫度穩(wěn)定性。正溫最大相對頻移=△f s (正溫最大)/ f s(25℃)負(fù)溫最大相對頻移=△f s (負(fù)溫最大)/ f s(25℃)機(jī)電耦合系數(shù)（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）機(jī)電耦合系數(shù)K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與貯存的彈性能密度V1與介電能密度V2乘積之比的平方根。壓電陶瓷常用以下五個(gè)基本耦合系數(shù)A、平面機(jī)電耦合系數(shù)KP（反映薄圓片沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作徑向伸縮振動(dòng)時(shí)機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）B、橫向機(jī)電耦合系數(shù)K31（反映細(xì)長條沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作長度伸縮振動(dòng)的機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）C、縱向機(jī)電耦合系數(shù)K33（反映細(xì)棒沿長度方向極化和電激勵(lì)，作長度伸縮振動(dòng)的機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）D、厚度伸縮機(jī)電耦合系數(shù)KT（反映薄片沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作厚度方向伸縮振動(dòng)的機(jī)電效應(yīng)的參數(shù)。）E、厚度切變機(jī)電耦合系數(shù)K15（反映矩形板沿長度方向極化，激勵(lì)電場的方向垂直于極化方向，作厚度切變振動(dòng)時(shí)機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）壓電應(yīng)變常數(shù)D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）壓電應(yīng)變常數(shù)是在應(yīng)力T和電場分量EM(M≠I)都為常數(shù)的條件下，電場分量E變化所引起的應(yīng)變分量SI的變化與EI變化之比。壓電電壓常數(shù)G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)該常數(shù)是在電位移D和應(yīng)力分量TN（N≠I）都為常數(shù)的條件下，應(yīng)力分量TI的變化所引起的電場強(qiáng)度分量EI的變化與TI的變化之比。居里溫度TC(CURIE TEMPERATURE)壓電陶瓷只在某一溫度范圍內(nèi)具有壓電效應(yīng)，它有一臨界溫度TC，當(dāng)溫度高于TC時(shí)，壓電陶瓷發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，這個(gè)臨界溫度TC稱為居里溫度。溫度穩(wěn)定性(TEMPERATURE STABILITY)指壓電陶瓷的性能隨著溫度變化的特性，一般描述溫度穩(wěn)定性有溫度系數(shù)或最大相對漂移二種方法。十倍時(shí)間老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一參數(shù)頻率常數(shù)(FREQUENCY CONSTANT)對于徑向和橫向長度伸縮振動(dòng)模式，其頻率常數(shù)為串聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（直徑或長度）的乘積。對于縱向長度厚度和伸縮切變振動(dòng)模式，其頻率常數(shù)為并聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（長度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M

迄今為止，壓電材料使用鈦氧鋯鉛（PZT），而此次開發(fā)的材料不含鉛成分，可實(shí)現(xiàn)高性能，對環(huán)境無害的傳感器及換能器制造。這種鈦氧鋇系列的壓電材料，是日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的研究人員任曉兵開發(fā)出的。壓電材料具有增加電壓產(chǎn)生伸縮、增加壓力產(chǎn)生電壓的特性，廣泛應(yīng)用于電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的換能器制造，是蜂鳴器、噴墨印刷機(jī)等不可缺少的材料。

壓電材料利用正離子與負(fù)離子的中心移動(dòng)這一性質(zhì)，增加電場，使離子輕微移動(dòng)。但在原理上，最大只能移動(dòng)0.01%距離。此次研究小組利用新原理開發(fā)的壓電材料正離子與負(fù)離子中心移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偶極矩電極化的區(qū)域，在增加電場之后沿電壓方向一齊發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了可逆性的巨大電致伸縮效應(yīng)。在理論上可實(shí)現(xiàn)最大5%的移動(dòng)。

該材料應(yīng)用于超聲成像（特別是醫(yī)用超聲成像）、聲納、微驅(qū)動(dòng)器等器件可使其性能有重大提高。

壓電材料會(huì)有壓電效應(yīng)是因晶格內(nèi)原子間特殊排列方式，使得材料有應(yīng)力場與電場耦合的效應(yīng)。根據(jù)材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種。根據(jù)具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。

壓電效應(yīng)聚合物

早在1940年，蘇聯(lián)就曾發(fā)現(xiàn)木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動(dòng)物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1960年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強(qiáng)的壓電性。具有較強(qiáng)壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。

壓電效應(yīng)復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見的壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹脂）的兩相復(fù)合材料。這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。此外，壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

定義

壓電材料 　鐵電單晶和鐵電陶瓷（見鐵電性）經(jīng)過人工極化后都是壓電體。非鐵電型壓電體可以是單晶體或高分子聚合物。技術(shù)上應(yīng)用的壓電材料的主要性能用彈性常數(shù)、介電常數(shù)、壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)來標(biāo)記，常簡單地合稱這些參數(shù)為壓電體的電彈常數(shù)。機(jī)電耦合系數(shù)是壓電體通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化的能量對輸入于壓電體的總能量的比值，標(biāo)志壓電體將機(jī)械能與電能互相轉(zhuǎn)換時(shí)的效率。壓電體的介質(zhì)和機(jī)械損耗角正切的倒數(shù)分別稱為電品質(zhì)因數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

天然壓電材料

天然的壓電材料有石英、電氣石等。人工合成材料有酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、人工石英、壓電陶瓷、碘酸鋰、鈮酸鋰、氧化鋅和高分子壓電薄膜等。中國自50年代開始，科學(xué)院、高校和工礦企業(yè)等單位廣泛進(jìn)行人工壓電材料合成，在上述材料中的多數(shù)方面都取得好成績和有大規(guī)模的生產(chǎn)，解決了國內(nèi)需要，并得到國際上的重視。

鈦酸鋇壓電陶瓷

40年代發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇壓電陶瓷，接著制成了一系列的其他壓電陶瓷。由于陶瓷不溶于水，工作溫度高，機(jī)械強(qiáng)度大并且容易制成各種需要的幾何形狀，成本低廉，使壓電體的應(yīng)用得到很大的發(fā)展。壓電陶瓷是鐵電多晶體。

鐵電陶瓷一般不具有壓電性，但是經(jīng)過人工極化后，其中各個(gè)微晶粒的電矩取向沿極化時(shí)的外電場方向占優(yōu)勢，產(chǎn)生一個(gè)平均不為零的宏觀剩余極化強(qiáng)度pr而成為壓電陶瓷。通常陶瓷的pr比同種材料單晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度pS小很多。壓電陶瓷的宏觀性質(zhì)方向?qū)ΨQ性屬于點(diǎn)群∞m,它的無窮次對稱軸沿人工極化時(shí)外加電場的方向。其壓電張量非零獨(dú)立分量個(gè)數(shù)與6mm相同，即

d31=d32，d33，d15=d24。

鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷

應(yīng)用最廣的是鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，簡稱為 PZT。這系列材料在準(zhǔn)同型相界附近具有很高的壓電性，而且性能可以通過改變成分和摻雜來調(diào)整。其居里點(diǎn)高達(dá)350℃以上,機(jī)電耦合系數(shù)可高達(dá)0.7, pr可達(dá)0.4C/m2，d15可達(dá)7×10-10C/N，d33可達(dá) 5×10-10C/N，d31可達(dá)-2×10-10C/N。 　壓電諧振器 　壓電晶體通常按特殊的方式切割成具有某種幾何形狀，再在表面上加上一對適當(dāng)?shù)碾姌O，利用它的機(jī)械諧振性能與壓電效應(yīng)相耦合而成為壓電諧振器。薄片狀振子其法向沿x、y或z軸方向者分別稱為X切、Y切和Z切；參見圖1, 其中的坐標(biāo)系相對于晶軸的關(guān)系按 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。不同壓電晶體按應(yīng)用上的要求有許多特殊的切割方法。

石英晶體在高溫時(shí)為β型, 屬點(diǎn)群622；當(dāng)溫度降至573℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?i>α 型，屬點(diǎn)群32。通常應(yīng)用的都是α石英，中國俗稱水晶,或簡稱石英。它的z軸與三次對稱軸平行，就是光軸；x軸沿二次對稱軸，是個(gè)極軸，稱為電軸；y軸垂直于zx平面,稱為機(jī)械軸，圖1還給出了石英的兩種特殊取向切割法，稱為AT切和GT切；這兩種切片在室溫范圍附近諧振頻率與溫度無關(guān)。α石英的壓電張量只有兩個(gè)非零獨(dú)立分量

式中對于左旋石英數(shù)據(jù)取正號，右旋石英取負(fù)號。

可以設(shè)計(jì)出具有各種諧振模式的壓電振子。例如 X切的一塊石英薄片，在兩面上加上電極（圖2a），就可以按薄片的設(shè)計(jì)形狀在不同頻率上用交流電壓激發(fā)各種模式的機(jī)械諧振。圖2b為利用d11激發(fā)的厚度諧振。圖2c為利用d12激發(fā)的縱向長度諧振，圖2d為利用d14激發(fā)的切變諧振。不同材料制成的壓電振子還可激發(fā)其他更多方式的諧振，例如圓盤的徑向諧振、長條的彎曲諧振等等。