压电材料和新型压电材料

目前，压电材料和新型压电材料在我们生活的应用越来越广泛，那么什么是压电材料和新型压电材料呢？通过下面我们的讲解，我想大家就会对压电材料和新型压电材料有所了解了。其实， 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。下面我们将为大家讲解关于什么是压电材料、压电材料的原理、压电材料的分类、无机压电材料、有机压电材料、新型压电材料。

压电材料

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。现在，这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。

压电材料的原理

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那么，什么是压电效应呢？ 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

压电材料的分类

无机压电材料

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。
压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。

有机压电材料

又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。

第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

新型压电材料

新型压电材料是日本科学技术振兴机构与物质材料研究机构的联合研究小组共同开发出一种基于新原理的压电材料。这种压电材料通过增加电场，使物质的晶体结构发生伸缩。这种利用全新原理开发出的压电材料的电致伸缩效应为历来同样材料的40倍。这一成果刊载在12日英国《自然》杂志网络版材料网页上。

迄今为止，压电材料使用钛氧锆铅（PZT），而此次开发的材料不含铅成分，可实现高性能，对环境无害的传感器及换能器制造。这种钛氧钡系列的压电材料，是日本物质材料研究机构的研究人员任晓兵开发出的。压电材料具有增加电压产生伸缩、增加压力产生电压的特性，广泛应用于电能与机械能互相转换的换能器制造，是蜂鸣器、喷墨印刷机等不可缺少的材料。

压电材料利用正离子与负离子的中心移动这一性质，增加电场，使离子轻微移动。但在原理上，最大只能移动0.01%距离。此次研究小组利用新原理开发的压电材料正离子与负离子中心移动时产生的偶极矩电极化的区域，在增加电场之后沿电压方向一齐发生变化，实现了可逆性的巨大电致伸缩效应。在理论上可实现最大5%的移动。

该材料应用于超声成像（特别是医用超声成像）、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提高。
该成果近日将在物理学界权威学术刊物《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上发表, 西安交大多学科材料研究中心、电力设备电气绝缘国家重点实验室博士研究生刘文凤为该文第一作者。

迄今为止，这是无铅压电材料首次在压电性能上超越锆钛酸铅陶瓷。与此同时，任晓兵小组提出了有效提高压电性能的理论，这对开发高性能无铅压电材料指明了重要方向并提供了一套有效方法。该项研究成果不仅是无铅压电材料领域的突破，而且可能由此引发长期依赖有害的锆钛酸铅的工业界向无铅压电材料的变革。

任晓兵教授提出了一个形成大压电效应的新理论，该理论表明：大压电性能与铅并无必要联系，锆钛酸铅只是满足了该理论的要求的一个体系，所有满足该理论要求的体系都可以产生大的压电性。基于该理论该研究小组设计开发了一种新的无铅压电材料：锆钛酸钡钙。他们的研究结果显示：该无铅压电材料具有令人惊异的压电性能，压电系数高达620皮库仑/牛顿，这超过了锆钛酸铅的性能（250-590皮库仑/牛顿）。这是50多年来无铅压电材料的性能首次超越压电材料的经典体系—锆钛酸铅。这项成果对无铅压电材料的研究开发具有重要意义，它不仅研发出一种可以和锆钛酸铅相媲美的对环境无害的压电材料，更重要的是指出了开发大压电性能材料的新方法。该方法可望导致今后出现更多更好的无铅压电材料，从而引发长期使用有害的锆钛酸铅的工业界向无铅压电材料的变革。

本文我们为大家讲解了什么是压电材料、压电材料的原理、压电材料的分类、无机压电材料、有机压电材料、新型压电材料。希望对有需要的读者有所帮助。

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