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1、压电效应及其在材料方面的应用摘要:中心不对称的晶体在压力作用会产生放电现象,但是不同的材料具有不同的晶体结构,致使产生压电效应的原因有所差异,因此,对三种主要压电晶体结构(石英、陶瓷和PVDF)压电效应产生的原因进行了分析,并简要介绍主要几类压电材料的发展。 关键词:压电效应压电材料 :TM1:A:1007-9416(2011)01-0100-02 Piezoelectriceffectanditsapplicationinmaterials YanJin-Yu XuchangRadioandTVUn
2、iversity,Xuchang461000 Abstract:Thecrystalstructuremetryproduceaphenomenaofelectricdischarge,butthereasonsofpiezoelectriceffectsproducedbymaterialsainlypiezoelectriccrystals(quartz,ceramicandPVDF)entsofseveralmainpiezoelectricmaterialsarealsointroduced. Keya
3、terial 压电效应是在一定条件下实现机械能与电能相互转化的现象。居里兄弟于1880年在石英晶体的表面发现了这种效应,人们根据这种效应研制成压电材料,现已广泛的应用于传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域。 1、压电效应 压电效应是当某些材料受到机械力而产生拉伸或压缩时,其内部产生极化现象,使材料相对的两个表面出现等量异号电荷的现象,外力越大,则表面电荷就越多,这种效应一般称做正压电效应。表面电荷的符号视外力的方向而定(图1)。具有这种效应的材料称之为压电材料。 当这些材料上加电场时,会产生机械形变(伸
4、长或缩短),如果是交变电场,则就会交替出现伸长和压缩,即发生机械振动。这种现象称之为逆压电效应(电致伸缩效应)。 2、材料产生压电效应的原因 材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。下面分别以石英晶体、压电陶瓷和聚偏氟乙烯PVDF为例,解释压电效应产生的原因。 2.1石英晶体 石英晶体是由硅离子和氧离子构成的正六面体,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上
5、,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3,如图2.a所示。由于P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合,电偶极的量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不带电荷,即呈中性[1]。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x轴方向产生收缩,正负离子的相对位置也发生变化,如图2.b所示,此时正负电荷中心不再重合,即P1+P2+P3>0,在x轴的正方向出现正电荷,在y方向电偶极距为零,不出现电荷;当y轴方向受到压力作用时,正负离子的相对位置也发生变化,如图2.c所示,此时,
6、P1增大,P2、P3减小,在x轴正方向为负电荷,在y方向电偶极距仍然为零。当在x轴和y轴方向作用力的方向变化,电荷极性也发生变化。当沿z轴方向施加作用力,因为x和y方向变形完全相同,所以正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零。 2.2压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图3.a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电
7、中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图3.b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图3.c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化[2]。 2.3PVDF 这种高聚物的结构是由微晶区分散于非晶区构成(图4.a)。非晶区的玻璃化转变温度决定聚合物材料的机械性能,而微晶区的熔融
8、温度决定了材料的使用上限温度。它首先经过熔融浇铸和退火处理,产生一定量的微晶,然后经过机械滚压和拉伸而成为薄膜之后,链轴上带负电的氟离子和带正电的氢离子分别被排列在薄膜表面的对应上下两边上(图4.b),可以形成尺寸为10～40μm的微晶偶极矩结构,又称为β形晶体,再在一定温度和外电场作用下,维持一段时间之后,晶体内部的偶极矩进一步
