压电性（材料物理性能）课件.ppt

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1、内容简介一、压电效应及压电体二、压电机理三、压电振子理解压电效应的概念与机理理解压电性与晶体结构的关系理解压电振子的作用要求：4.5压电性1一、压电效应与压电体某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。1、压电效应压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。2当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作

2、用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。2、逆压电效应δ3极化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++极化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++自由电荷释放电荷极化方向+++++－－－－－－－－－－－－++++++++++++－－－－－正压电效应逆压电效应4能产生压电效应的晶体就叫压电体。3、压电体2007报道，澳大利亚的AdamBest博士开发出一种发电材料，能利用衣服发电。这项技术主要是运用“压电效应”，将这种材质

3、编入衣服布料内，当我们穿着它活动，压折或扭曲到衣服时便会产生电流，然后储存进镶嵌在衣服内的软式蓄电池里，就可以拿来为行动电话或是MP3充电。5--+++---++--++++++--++++极化轴C-++--+纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影表示晶体极性链的两种方法-+-+固有偶极子正电荷层与负电荷层交替排列-+-+-+-+不具有对称中心的晶体，质点排列不对称，在应力作用下，它们就受到不对称的内应力，产生不对称的相对位移．结果形成新的电矩，呈现出压电效应。1）压电体的结构特点62)常见的压电材料种类材料特点缺点压电

4、单晶石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等重现性好、稳定性高，培养单晶比较困难，成本较高压电陶瓷钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。压电薄膜如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料，特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是聚偏二氟乙烯7

5、电介质、压电体、热电体和铁电体的关系铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。3）电介质、压电体、热释电体、铁电体的关系铁电体热释电体压电体介电体热电性:含有固有电偶极矩的极性晶体，由于温度变化引起电极化状态的改变,当均匀加热时,能够产生电荷。这种偶极子的效应称为热电性，具有热电性的物体叫热电体8二、压电机理1、石英单晶压电效应石英晶体化学式为SiO2单晶体结构：正六面体石英晶体各个方向的特性是不同的。Z-Z轴—光轴，该轴无压电效应和无双折射现象；X-X轴

6、—电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强；Y-Y轴—机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。A.石英晶体结构压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形所引起的。9从晶体上沿y方向切下一块如图（c）所示晶片,当在电轴x方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为：qx=d11fxd11—x方向受力的压电系数;fx—作用力。在同一切片上,沿机械轴y方向

7、施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为：qy=d12fyd12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。B.石英单晶片的压电效应10电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定。在电轴x方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其符号如图（a）和（b）所示。拉应力时为正，压应力时为负。在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其符号如图（c）和（d）所示。拉应力时为正，压应力时为负。11石英晶体的压电效应与其内

8、部分子结构有关。石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结构单元(晶胞)中，有三个硅离子Si4+和六个氧离子O2，后者是成对的，所以一个硅离子和二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的正六边形排列，如图（a）所示，图中“”代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º夹