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应用物理2班 田思才 201020405231 压电材料的种类和应用摘要：主要是介绍压电效应，压电效应的机理，如今各种压电材料及压电材料的应用和前景。引言：自20 世纪出现压电材料以来, 因其独特性能,逐渐成为材料领域中的重要组成部分。随着电子、导航和生物等高技术领域的发展, 人们对压电材料性能的要求越来越高。目前, 研究和开发压电材料主要是从老材料中发掘新效应, 开拓新应用; 从控制材料组织和结构入手, 运用新工艺制备各种新型压电材料。本文从压电材料的压电效应入手, 评述其制备应用及今后的发展。 一：压电效应1. 压电效应 当外加应力T作用于某些电介质晶体并使它们发生应变S时，电介质内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应变力作用使材料带电的现象称之为正压电效应。与正压电效应产生的过程相反，当这类电介质晶体施加外加电场并使其中的电荷重心产生位移时，该电介质要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称之为逆压效应。正压电效应和逆电效应统称为压电效应。具有压电效应的的介质称为压电体。2.效应的机理 介质具有压电效应的条件是其结构不具有对称中心。压电效应产生的机理是当压电体如晶体不受外力的作用，正负电荷的重心重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷也为零；当晶体受压缩力与拉伸力的情况下，此时正负电荷的重心将不再重合，于是就会在晶体的表面产生异号束缚电荷，即出现压电效应。二：压电材料 压电材料包括压电晶体，压电陶瓷，压电聚合物和压电复合材料等。压电单晶有很强的各向异性，但测量晶体各晶轴的压电常数是一项复杂的工作。压电陶瓷是大量晶粒的聚合体，单个晶粒表现出压电性，但这样的晶粒聚集体通常是不呈现压电效应的，实际应用的压电陶瓷须经过极化处理，使其表现出电性。1. 压电晶体1） 石英 石英又称水晶，化学成分是SiO2，属于三方晶系。压电出现在x,y轴上，在z轴上无压电效应。石英的特点是压电性能稳定，内耗小，但k值不是很大。 早期用做压电晶体的是天然水晶，然而天然水晶产量有限，能用来制作压电器件的天然水晶则更少。自20世纪60年代以来，已广泛应用的是采用水热法生长的人造水晶。 石英晶体目前被广泛应用于通信，导航，广播，时间和频率标准等领域，如彩色电视，频率稳定器，扩音器，电话，钟表等电子设备。2)含氢铁电晶体 含氢铁电晶体也属于三方晶系，其应变Sx与极化强度呈直线关系。属于这类晶体的有磷酸二氢铵，磷酸二氢钾，磷酸氢铅和磷酸氘铅晶体等。3） 含氧金属酸化物 如具有钙钛矿型结构的钛酸钡晶体，具有畸变的钙钛矿型结构的鈮酸锂和钽酸锂，以及具有钨青铜结构的鈮酸锶钡。（2）压电半导体 压电半导体大都属于闪锌矿或纤锌矿结构，主要有元素周期表中的六组和三组元素化合物。其中，最常用的是CdS，CdSe和ZnO,它们的共同特点是K值大，并兼有光电导性。目前，在微声技术上主要用来制造换能器，如水声换能器，通过发射声波或接受声波（分别对应于正，逆压电效应）来完成水下观察，通信和探测工作。 压电晶体作为材料已在机电转换和声学延迟方面广泛使用。为了使它们能用于高频及有更广泛的用途，压电晶体常制作成薄膜，现已制备出铌酸锂，锆钛酸铅及半导体压电薄膜。（3）压电陶瓷 压电陶瓷比压电晶体便宜但易老化。它们多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的固溶体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系陶瓷。1） 钛酸钡 钛酸钡是第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体，其晶体属于钙钛矿型结构，在室温下属四方晶系，120摄氏度时转变为立方晶相，此时铁电性消失。 钛酸钡陶瓷的第一个实用商品是拾音器，至今在制造声纳装置的振子，声学测量装置和滤波器等方面仍有应用。钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅陶瓷出现之前广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高（120摄氏度），限制了器件的工作温度范围。它还纯在第二相变点（0摄氏度），相变时压电，介电性显著改变以及常温介电性和压电性不稳定的缺点。为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，并使它在工作温度内不纯在相变点，出现了以BaTiO3为基的BaTiO3-CaTiO3系和BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。在BaTiO3 中加入CaTiO3，第二相点明显向低温移动，但对居里点的影响不大。PbTiO3加入BaTiO3中，可以使陶瓷的居里温度移向高温。2）锆钛酸铅 锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3,简称为PZT）是PbTiO3和PbZrO3形成的固溶体，具有钙钛矿型结构，是一种应用广泛的压电陶瓷材料。 锆钛酸铅的居里点随锆钛比而变化，在居里点以上，晶体为立方相，无压电效应，在锆钛比为55/45（摩尔分数）时，结构发生突变，此时平面耦合系数Kp和介电常数出现最大值。对于锆钛酸铅压电陶瓷的改性途径主要是在化学组成上作适当地调整，即离子置换或添加少量的杂质，以获得所要求的电学性能和压电性能。3）钛酸铅 钛酸铅（PbTiO3）具有很高的居里点（490摄氏度），在居里点以上为顺电立方相，居里点以下为四方相。PbTiO3烧结性差，各向异性较大，晶界能高，当冷却通过居里点时晶粒易分离。添加LiCO3、NiO、Fe2O3或MnO可获得致密陶瓷，Li2CO3、Cr2O3或MnO可抑制PbTiO3的晶粒长大。改性钛酸铅陶瓷用做高频滤波器的高频低耗振子、声表面波器件、红外热释电探测器，无损探伤和医疗诊断探头等。三：压电材料的应用压电材料是一种重要的功能转换材料，压电体在被发现不久就得到了重要的应用。公认的一个早期工作可以说明压电材料的重要性，这就是水声发射和接受装置。1916年朗之万利用石英晶体制造出“声呐”，用于探测水中的物体，至今仍在海军中有重要的应用。利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力，是压电材料在超声技术方面的重要应用，如超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉粹等装置上的机电换能器。利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压，也是压电材料最早开拓的应用之一，如压点点火器、引燃引爆装置、压电开光等。压电材料与人们的日常生活密不可