第3章壓電材料

第三章壓電材料3.1壓電效應(yīng)的機(jī)理3.2壓電材料的特征值3.3壓電材料的種類和應(yīng)用

教學(xué)目標(biāo)及基本要求掌握壓電效應(yīng)的機(jī)理、壓電材料的特征值。熟悉壓電材料的種類和應(yīng)用。

教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)（1）壓電效應(yīng)及其機(jī)理（2）壓電材料及其特征值（3）機(jī)電耦合系數(shù)（4）介質(zhì)損耗第三章

壓電材料

沒有對稱中心的材料受到機(jī)械應(yīng)力處于應(yīng)變狀態(tài)時，材料內(nèi)部會引起電極化和電場，其值與應(yīng)力的大小成比例。其符號取決于應(yīng)力的方向。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。也就是受力應(yīng)變產(chǎn)生電場。逆壓電效應(yīng)則與正壓電效應(yīng)相反，當(dāng)材料在電場的作用下發(fā)生電極化時，會產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變值與所加電場的強(qiáng)度成正比。其符號取決于電場的方向。此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。也就是電場作用產(chǎn)生應(yīng)變。具有壓電效應(yīng)的材料叫做壓電材料。由此可見，通過壓電材料可將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換。利用逆壓電效應(yīng)，還發(fā)展了一系列電致伸縮材料。3.1壓電效應(yīng)的機(jī)理

壓電效應(yīng)產(chǎn)生的根源是晶體中離子電荷的位移，當(dāng)不存在應(yīng)變時電荷在晶格位置上的分布是對稱的，所以其內(nèi)部電場為零。但是當(dāng)給晶體施加應(yīng)力則電荷發(fā)生位移，如果電荷分布不再保持對稱就會出現(xiàn)凈極化，并將伴隨產(chǎn)生一電場，這個電場就表現(xiàn)為壓電效應(yīng)。例如石英產(chǎn)生壓電效應(yīng)即是如此，如圖3－1所示。

圖3－1石英壓電效應(yīng)產(chǎn)生的根源（晶體無對稱心）由圖3－1(b)可見，由于石英晶體不存在對稱中心，當(dāng)給晶體施加壓力時，晶體內(nèi)部將產(chǎn)生極化。由原來P=0的狀態(tài)，變成有極化強(qiáng)度P的狀態(tài)，表現(xiàn)為產(chǎn)生一電場。如果晶體存在對稱中心的話，即使晶體發(fā)生形變后仍保持極化強(qiáng)度為零，就不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)（圖3－1(a)）。因此，只有那些原胞無對稱中心的物質(zhì)才有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體共有32個點(diǎn)群，也就是按對稱性分為32類。其中20類是非對稱中心的，它們可能具有壓電效應(yīng)。但是，無對稱中心只是產(chǎn)生壓電效應(yīng)的必要條件，而不是充分條件。因此，只有ADP、KDP和α-石英、羅息鹽等少數(shù)幾種晶體才具有壓電效應(yīng)。所有鐵電晶體同時具有壓電性，但壓電晶體不一定具有鐵電性。圖3－2壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖晶體的壓電效應(yīng)的本質(zhì)是因?yàn)闄C(jī)械作用（應(yīng)力與應(yīng)變）引起了晶體介質(zhì)的極化，從而導(dǎo)致兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。其機(jī)理可用圖3－2加以解釋。圖中（a）表示壓電晶體中質(zhì)點(diǎn)在某方向上的投影。此時晶體不受外力作用，正電荷重心與負(fù)電荷重心重合，整個晶體總電矩為0，因而晶體表面不荷電。但是當(dāng)沿某一方向?qū)w施加機(jī)械力時，晶體由于形變導(dǎo)致正、負(fù)電荷重心不重合，即電矩發(fā)生變化，從而引起晶體表面荷電；（b）為晶體在壓縮時荷電的情況；（c）是拉伸時的荷電情況。

石英壓電效應(yīng)的機(jī)理135246135246晶片沿y方向壓縮1,4離子向中心；6,5,2,3離子向外移動表面A出現(xiàn)負(fù)電荷；表面B呈正電荷縱向壓電效應(yīng)α-石英單晶正壓電效應(yīng)晶片沿x方向壓縮6,5,2,3離子向內(nèi)移動同樣數(shù)值；1,4離子向外移動C和D面不出現(xiàn)電荷；表面A和B呈現(xiàn)電荷橫向壓電效應(yīng)α-石英單晶正壓電效應(yīng)246351135246石英壓電效應(yīng)的機(jī)理晶片沿z方向壓縮135246無壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)本質(zhì)：外力改變了晶體中的離子原來的相對位置、在特定的方向上產(chǎn)生束縛電荷、出現(xiàn)凈電偶極矩.壓電晶體：結(jié)構(gòu)上必須是無對稱中心,中心對稱的晶體受力時不會改變其中心對稱性、無壓電效應(yīng)；組成上必須是離子、或離子性原子、或含離子基團(tuán)的分子.鐵電體必具有強(qiáng)壓電性，但壓電體不一定是鐵電體.石英壓電效應(yīng)的機(jī)理一、彈性模量二、壓電常數(shù)三、機(jī)電耦合系數(shù)

四、介電常數(shù)五、介電損耗：導(dǎo)電和極化馳豫過程D：電位移IR：異相電荷分量IC：同相電荷分量W：交變電場角頻率C：介質(zhì)電容R：損耗電阻3.2壓電材料的特征值

一、彈性模量壓電晶體是彈性體，服從于胡克定律：在彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。對于三斜晶系（21個獨(dú)立元）、正交晶系（9個獨(dú)立元）、立方晶系（3個獨(dú)立元）等不同晶系有不同的彈性模量。壓電晶體具有壓電效應(yīng)，因此，在不同電學(xué)條件下有不同的彈性模量。在外電路的電阻很小時，即相當(dāng)于短路條件下測得的，稱為短路彈性模量。在外電路的電阻很大時，即相當(dāng)于開路條件下測得的，稱為開路彈性模量。二、壓電常數(shù)壓電常數(shù)：極化強(qiáng)度和應(yīng)變之間的關(guān)系常數(shù)。當(dāng)壓電材料產(chǎn)生正壓電效應(yīng)時，施加應(yīng)力將產(chǎn)生額外電荷，發(fā)生極化，其極化強(qiáng)度P和應(yīng)變之間的關(guān)系可用壓電（應(yīng)力）常數(shù)與沿x、y、z軸的應(yīng)變和切應(yīng)變的方程來表示，其中18個系數(shù)eik被稱為壓電（應(yīng)力）常數(shù)。其極化強(qiáng)度和應(yīng)力的關(guān)系可用壓電（應(yīng)變）常數(shù)與沿x、y、z軸的應(yīng)力和切應(yīng)力的方程來表示表示，其中18個系數(shù)dik被稱為壓電（應(yīng)變）系數(shù)。壓電常數(shù)eik和壓電系數(shù)dik都是壓電效應(yīng)的重要特征值。逆壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)不同。電致伸縮效應(yīng)是指在外電場作用下，任何電介質(zhì)都會發(fā)生尺寸變化，即產(chǎn)生應(yīng)變，是液、固、氣電介質(zhì)一般都具有的性質(zhì)。而逆壓電效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的點(diǎn)群的晶體中。此外，電致伸縮效應(yīng)的形變與電場方向無關(guān)，與電場強(qiáng)度的平方成正比，而逆壓電效應(yīng)的形變是隨電場反向而反號，與電場強(qiáng)度的一次方成正比。對于國際單位制有ε0為真空介電常數(shù)；D為壓電體中的電位移。它和極化強(qiáng)度P，電場強(qiáng)度E，應(yīng)力T，應(yīng)變均為矢量。當(dāng)外電場為零時，D=P，則上述各壓電常數(shù)表達(dá)式中的P均可換為D。三、機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)是一個綜合反映壓電晶體的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是衡量壓電材料性能的一個很重要參數(shù)。通過測量機(jī)電耦合常數(shù)可以確定彈性、介電、壓電等參量，即使介電常數(shù)和彈性常數(shù)有很大差異的壓電材料，它們的機(jī)電耦合常數(shù)也可直接比較。機(jī)電耦合系數(shù)定義為：k=機(jī)械能轉(zhuǎn)變的電能/輸入的機(jī)械能（正壓電效應(yīng)）k=電能轉(zhuǎn)變的機(jī)械能/輸入的電能（逆壓電效應(yīng)）機(jī)電耦合系數(shù)k是一個無量綱的物理量，是壓電材料機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換能力的量度。它并不代表轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)樗鼪]有考慮能量損失，是在理想情況下，以彈性能或介電能的存儲方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能量大小。

四、介電常數(shù)介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)（或極化性質(zhì)），通常用ε表示，單位是F/m。當(dāng)壓電材料的電行為用電場強(qiáng)度E和電位移D作變量來描述時，則有：D=εE或ε=D/E有時也使用相對介電常數(shù)εr（反映電介質(zhì)極化的能力），它與介電常數(shù)的關(guān)系為ε/ε0，ε0為8.85×10-12F/m，相對介電常數(shù)是無量綱的物理量。對于壓電陶瓷片，可用下式計(jì)算介電常數(shù)：ε=Cd/A式中：C為電容（F）；d為電極距離（m）；A為電極面積（m2）。五、介質(zhì)損耗電介質(zhì)在恒定電場作用下所損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品的幾何電容的充電所造成的電流；②由各種介質(zhì)極化的建立所造成的電流；③由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏電）造成的電流。第一種電流簡稱電容電流，不損耗電流；第二種電流引起的損耗稱為極化損耗；第三種電流引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。

極化損耗主要與極化的馳豫（松弛）過程有關(guān)。圖3－3介質(zhì)的馳豫過程

介質(zhì)在交變電場中通常發(fā)生馳豫現(xiàn)象。在一個實(shí)際介質(zhì)的樣品上突然加上一電場，所產(chǎn)生的極化過程不是瞬時的，見圖3－3。P0代表瞬時建立的極化（位移極化），P1代表松弛極化，P1(t)漸漸達(dá)到一穩(wěn)定值。這一滯后通常是由偶極子極化和空間電荷極化所致。在外電場施加或移去后，系統(tǒng)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)的過程叫介質(zhì)馳豫。

圖3－4交流電路中電流電壓矢量圖

在交變電場下，壓電材料所積累的電荷有兩種分量：一種為有功部分（同相），即由電導(dǎo)過程引起，即電導(dǎo)損耗（IC）；另一種為無功部分（異相），即由介質(zhì)馳豫過程引起，即極化損耗（IR）。介質(zhì)損耗為異相分量與同相分量的比值，通常用tanδ表示，如圖3－4所示。tanδ=IR/IC=1/ωCR式中：ω為交變電場的角頻率；C為介質(zhì)電容；R為損耗電阻。tanδ與壓電材料中能量損耗成正比，因此也往往就把tanδ叫做損耗因子，或直接叫做介質(zhì)損耗。3.3壓電材料的種類和應(yīng)用

一、壓電材料的種類（一）晶體在無中心對稱的21種類型中有20種有壓電效應(yīng)。這些壓電晶體性能穩(wěn)定，內(nèi)耗小。（二）半導(dǎo)體常用的有Ⅱ—Ⅵ族化合物和Ⅲ—Ⅴ族化合物。最常用的為CdS、CdSe、ZnO，其k大兼有光電導(dǎo)性。（三）陶瓷多晶壓電材料陶瓷多晶壓電材料比晶體便宜但易老化，典型的有鈦酸鋇陶瓷和鋯鈦酸鉛陶瓷。（四）高分子壓電材料二、壓電材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢壓電材料已廣泛應(yīng)用于電子學(xué)和傳感器領(lǐng)域。石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等用得最多。壓電材料的發(fā)展趨勢為：①研究壓電材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。②研究各向異性壓電陶瓷。③研究特優(yōu)性能的壓電材料。④研究耐高溫高壓壓電材料。⑤研究復(fù)合壓電材料及其應(yīng)用。⑥研究新型壓電高聚物。⑦研究開發(fā)生物壓電高分子，探索制作分子壓電器件的可能性。MLCC（多層陶瓷電容器）：

是世界上用量最大、發(fā)展最快的片式元件品種。主要用于電子整機(jī)中的振蕩、耦合、濾波、旁路等，是移動通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航、全球定位(GPS)、軍事雷達(dá)等領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，在軍用及民用產(chǎn)品中具有十分重要的地位。MLCC的介質(zhì)材料主要為BaTiO3。MLCC樣品MLCC通過多層介質(zhì)陶瓷并聯(lián)而成：C與介質(zhì)層數(shù)及介質(zhì)材料的介電常數(shù)成正比,與介質(zhì)層厚度成反比增大層數(shù)、使用高介電常數(shù)介質(zhì)材料及減小介質(zhì)層的厚度，可以獲得大電容量C。但不能一味的增大層數(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)代通訊設(shè)備向小型化發(fā)展，故在適當(dāng)增大層數(shù)的同時，應(yīng)考慮提高材料介電常數(shù)，減小材料顆粒大小,即多層化和薄層化（小型化，每層為0.6μm）。溫度特性：對溫度依賴性要??；居里溫度：居里溫度向低溫漂移有利于獲得高介電常數(shù)。介質(zhì)層越薄,MLCC電擊穿強(qiáng)度越大.對于高壓MLCC要求其電擊穿強(qiáng)度在5000V以上。適合MLCC的介質(zhì)材料納米四方相鈦酸鋇是適合MLCC的最佳介質(zhì)材料：

(1)提高BaTiO3的介電常數(shù)：納