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什么是压电材料

2020-11-09 14:05:21

变温压电测试提示您压电材料铁电单晶和铁电陶瓷(见铁电性)经过人工极化后都是压电体。非铁电型压电体可以是单晶体或高分子聚合物。技术上应用的压电材料的主要性能用弹性常数、介电常数、压电常数和机电耦合系数来标记,常简单地合称这些参数为压电体的电弹常数。机电耦合系数是压电体通过压电效应转化的能量对输入于压电体的总能量的比值,标志压电体将机械能与电能互相转换时的效率。压电体的介质和机械损耗角正切的倒数分别称为电品质因数和机械品质因数。


  天然压电材料


  天然的压电材料有石英、电气石等。人工合成材料有酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、人工石英、压电陶瓷、碘酸锂、铌酸锂、氧化锌和高分子压电薄膜等。中国自50年代开始,科学院、高校和工矿企业等单位广泛进行人工压电材料合成,在上述材料中的多数方面都取得好成绩和有大规模的生产,解决了国内需要,并得到国际上的重视。


  钛酸钡压电陶瓷


  40年代发现了钛酸钡压电陶瓷,接着制成了一系列的其他压电陶瓷。由于陶瓷不溶于水,工作温度高,机械强度大并且容易制成各种需要的几何形状,成本低廉,使压电体的应用得到很大的发展。压电陶瓷是铁电多晶体。


  铁电陶瓷一般不具有压电性,但是经过人工极化后,其中各个微晶粒的电矩取向沿极化时的外电场方向占优势,产生一个平均不为零的宏观剩余极化强度pr而成为压电陶瓷。通常陶瓷的pr比同种材料单晶体的自发极化强度pS小很多。压电陶瓷的宏观性质方向对称性属于点群∞m,它的无穷次对称轴沿人工极化时外加电场的方向。其压电张量非零独立分量个数与6mm相同,即d31=d32,d33,d15=d24。

变温压电测试

  锆钛酸铅二元系压电陶瓷


  应用最广的是锆钛酸铅二元系压电陶瓷,简称为PZT。这系列材料在准同型相界附近具有很高的压电性,而且性能可以通过改变成分和掺杂来调整。其居里点高达350℃以上,机电耦合系数可高达0.7,pr可达0.4C/m2,d15可达7×10-10C/N,d33可达5×10-10C/N,d31可达-2×10-10C/N。压电谐振器压电晶体通常按特殊的方式切割成具有某种几何形状,再在表面上加上一对适当的电极,利用它的机械谐振性能与压电效应相耦合而成为压电谐振器。薄片状振子其法向沿x、y或z轴方向者分别称为X切、Y切和Z切;参见图1,其中的坐标系相对于晶轴的关系按IRE标准规定。不同压电晶体按应用上的要求有许多特殊的切割方法。


  石英晶体在高温时为β型,属点群622;当温度降至573℃时转变为α型,属点群32。通常应用的都是α石英,中国俗称水晶,或简称石英。它的z轴与三次对称轴平行,就是光轴;x轴沿二次对称轴,是个极轴,称为电轴;y轴垂直于zx平面,称为机械轴,图1还给出了石英的两种特殊取向切割法,称为AT切和GT切;这两种切片在室温范围附近谐振频率与温度无关。α石英的压电张量只有两个非零独立分量式中对于左旋石英数据取正号,右旋石英取负号。


  可以设计出具有各种谐振模式的压电振子。例如X切的一块石英薄片,在两面上加上电极,就可以按薄片的设计形状在不同频率上用交流电压激发各种模式的机械谐振。图2b为利用d11激发的厚度谐振。图2c为利用d12激发的纵向长度谐振,图2d为利用d14激发的切变谐振。不同材料制成的压电振子还可激发其他更多方式的谐振,例如圆盘的径向谐振、长条的弯曲谐振等等。


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