壓電系數(shù)

簡(jiǎn)介

壓電系數(shù)越高，壓電材料的能量轉(zhuǎn)換的效率越高。2100433B

外電場(chǎng)和晶體的極化強(qiáng)度都是矢量，在直角坐標(biāo)系中其分量分別記為Eα和pα;α=1、2、3。晶體的應(yīng)變 s是個(gè)二階對(duì)稱張量，只有六個(gè)獨(dú)立分量，記為Si;i=1、2、3相應(yīng)的為三個(gè)縱應(yīng)變分量; i=4、5、6相應(yīng)的為三個(gè)切應(yīng)變分量。當(dāng)形變不太大時(shí)壓電效應(yīng)為線性，

可用方程組描述為 (1)

對(duì)于逆壓電效應(yīng)有 (2)

稱eαi為壓電常數(shù),亦稱壓電應(yīng)力系數(shù)。稱dαi為壓電模量，亦稱壓電應(yīng)變系數(shù)。e和d都是三階張量,通稱為壓電張量，一般地可以各有18個(gè)獨(dú)立分量，晶體的對(duì)稱性可以使壓電張量的非零獨(dú)立分量個(gè)數(shù)進(jìn)一步減小。

定義

壓電材料 　鐵電單晶和鐵電陶瓷（見(jiàn)鐵電性）經(jīng)過(guò)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(lái)標(biāo)記，常簡(jiǎn)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(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化的能量對(duì)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(guó)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(jī)和有大規(guī)模的生產(chǎn)，解決了國(guó)內(nèi)需要，并得到國(guó)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(guò)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(chǎng)方向占優(yōu)勢(shì)，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(wú)窮次對(duì)稱軸沿人工極化時(shí)外加電場(chǎng)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(jiǎn)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(guò)改變成分和摻雜來(lái)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(duì)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(jiàn)圖1, 其中的坐標(biāo)系相對(duì)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(guó)俗稱水晶,或簡(jiǎn)稱石英。它的z軸與三次對(duì)稱軸平行，就是光軸；x軸沿二次對(duì)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(wú)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(duì)于左旋石英數(shù)據(jù)取正號(hào)，右旋石英取負(fù)號(hào)。

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(zhǎng)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(zhǎng)條的彎曲諧振等等。

直流穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)之一穩(wěn)壓系數(shù)Sr。

穩(wěn)壓系數(shù)是指直流穩(wěn)壓電源，輸出的電壓的相對(duì)變化量和輸入的電壓的相對(duì)變化量的比值。用來(lái)表征電源的穩(wěn)壓性能。2100433B