第三章壓電材料3.1壓電效應的機理3.2壓電材料的特征值3.3壓電材料的種類和應用

教學目標及基本要求掌握壓電效應的機理、壓電材料的特征值。熟悉壓電材料的種類和應用。

教學重點和教學難點（1）壓電效應及其機理（2）壓電材料及其特征值（3）機電耦合系數（4）介質損耗第三章

壓電材料

沒有對稱中心的材料受到機械應力處于應變狀態時，材料內部會引起電極化和電場，其值與應力的大小成比例。其符號取決于應力的方向。這種現象稱為正壓電效應。也就是受力應變產生電場。逆壓電效應則與正壓電效應相反，當材料在電場的作用下發生電極化時，會產生應變，其應變值與所加電場的強度成正比。其符號取決于電場的方向。此現象稱為逆壓電效應。也就是電場作用產生應變。具有壓電效應的材料叫做壓電材料。由此可見，通過壓電材料可將機械能和電能相互轉換。利用逆壓電效應，還發展了一系列電致伸縮材料。3.1壓電效應的機理

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

圖3－1石英壓電效應產生的根源（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，當給晶體施加壓力時，晶體內部將產生極化。由原來P=0的狀態，變成有極化強度P的狀態，表現為產生一電場。如果晶體存在對稱中心的話，即使晶體發生形變后仍保持極化強度為零，就不會產生壓電效應（圖3－1(a)）。因此，只有那些原胞無對稱中心的物質才有可能產生壓電效應。晶體共有32個點群，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。但是，無對稱中心只是產生壓電效應的必要條件，而不是充分條件。因此，只有ADP、KDP和α-石英、羅息鹽等少數幾種晶體才具有壓電效應。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壓電效應機理示意圖晶體的壓電效應的本質是因為機械作用（應力與應變）引起了晶體介質的極化，從而導致兩端表面內出現符號相反的束縛電荷。其機理可用圖3－2加以解釋。圖中（a）表示壓電晶體中質點在某方向上的投影。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。但是當沿某一方向對晶體施加機械力時，晶體由于形變導致正、負電荷重心不重合，即電矩發生變化，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。

石英壓電效應的機理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出現負電荷；表面B呈正電荷縱向壓電效應α-石英單晶正壓電效應晶片沿x方向壓縮6,5,2,3離子向內移動同樣數值；1,4離子向外移動C和D面不出現電荷；表面A和B呈現電荷橫向壓電效應α-石英單晶正壓電效應246351135246石英壓電效應的機理晶片沿z方向壓縮135246無壓電效應正壓電效應本質：外力改變了晶體中的離子原來的相對位置、在特定的方向上產生束縛電荷、出現凈電偶極矩.壓電晶體：結構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；組成上必須是離子、或離子性原子、或含離子基團的分子.鐵電體必具有強壓電性，但壓電體不一定是鐵電體.石英壓電效應的機理一、彈性模量二、壓電常數三、機電耦合系數

四、介電常數五、介電損耗：導電和極化馳豫過程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，應力與應變成正比。對于三斜晶系（21個獨立元）、正交晶系（9個獨立元）、立方晶系（3個獨立元）等不同晶系有不同的彈性模量。壓電晶體具有壓電效應，因此，在不同電學條件下有不同的彈性模量。在外電路的電阻很小時，即相當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，即相當于開路條件下測得的，稱為開路彈性模量。二、壓電常數壓電常數：極化強度和應變之間的關系常數。當壓電材料產生正壓電效應時，施加應力將產生額外電荷，發生極化，其極化強度P和應變之間的關系可用壓電（應力）常數與沿x、y、z軸的應變和切應變的方程來表示，其中18個系數eik被稱為壓電（應力）常數。其極化強度和應力的關系可用壓電（應變）常數與沿x、y、z軸的應力和切應力的方程來表示表示，其中18個系數dik被稱為壓電（應變）系數。壓電常數eik和壓電系數dik都是壓電效應的重要特征值。逆壓電效應與電致伸縮效應不同。電致伸縮效應是指在外電場作用下，任何電介質都會發生尺寸變化，即產生應變，是液、固、氣電介質一般都具有的性質。而逆壓電效應只存在于不具有對稱中心的點群的晶體中。此外，電致伸縮效應的形變與電場方向無關，與電場強度的平方成正比，而逆壓電效應的形變是隨電場反向而反號，與電場強度的一次方成正比。對于國際單位制有ε0為真空介電常數；D為壓電體中的電位移。它和極化強度P，電場強度E，應力T，應變均為矢量。當外電場為零時，D=P，則上述各壓電常數表達式中的P均可換為D。三、機電耦合系數機電耦合系數是一個綜合反映壓電晶體的機械能與電能之間耦合關系的物理量，是衡量壓電材料性能的一個很重要參數。通過測量機電耦合常數可以確定彈性、介電、壓電等參量，即使介電常數和彈性常數有很大差異的壓電材料，它們的機電耦合常數也可直接比較。機電耦合系數定義為：k=機械能轉變的電能/輸入的機械能（正壓電效應）k=電能轉變的機械能/輸入的電能（逆壓電效應）機電耦合系數k是一個無量綱的物理量，是壓電材料機械能和電能相互轉換能力的量度。它并不代表轉換效率，因為它沒有考慮能量損失，是在理想情況下，以彈性能或介電能的存儲方式進行轉換的能量大小。

四、介電常數介電常數反映了材料的介電性質（或極化性質），通常用ε表示，單位是F/m。當壓電材料的電行為用電場強度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εr（反映電介質極化的能力），它與介電常數的關系為ε/ε0，ε0為8.85×10-12F/m，相對介電常數是無量綱的物理量。對于壓電陶瓷片，可用下式計算介電常數：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、介質損耗電介質在恒定電場作用下所損耗的能量與通過其內部的電流有關。加上電場后通過介質的全部電流包括：①由樣品的幾何電容的充電所造成的電流；②由各種介質極化的建立所造成的電流；③由介質的電導（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損耗。

極化損耗主要與極化的馳豫（松弛）過程有關。圖3－3介質的馳豫過程

介質在交變電場中通常發生馳豫現象。在一個實際介質的樣品上突然加上一電場，所產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)漸漸達到一穩定值。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，系統逐漸達到平衡狀態的過程叫介質馳豫。

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），即由電導過程引起，即電導損耗（IC）；另一種為無功部分（異相），即由介質馳豫過程引起，即極化損耗（IR）。介質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，或直接叫做介質損耗。3.3壓電材料的種類和應用

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。這些壓電晶體性能穩定，內耗小。（二）半導體常用的有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、壓電材料的應用和發展趨勢壓電材料已廣泛應用于電子學和傳感器領域。石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等用得最多。壓電材料的發展趨勢為：①研究壓電材料的結構和性能的關系。②研究各向異性壓電陶瓷。③研究特優性能的壓電材料。④研究耐高溫高壓壓電材料。⑤研究復合壓電材料及其應用。⑥研究新型壓電高聚物。⑦研究開發生物壓電高分子，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、發展最快的片式元件品種。主要用于電子整機中的振蕩、耦合、濾波、旁路等，是移動通訊、衛星導航、全球定位(GPS)、軍事雷達等領域必不可少的設備，在軍用及民用產品中具有十分重要的地位。MLCC的介質材料主要為BaTiO3。MLCC樣品MLCC通過多層介質陶瓷并聯而成：C與介質層數及介質材料的介電常數成正比,與介質層厚度成反比增大層數、使用高介電常數介質材料及減小介質層的厚度，可以獲得大電容量C。但不能一味的增大層數，因為現代通訊設備向小型化發展，故在適當增大層數的同時，應考慮提高材料介電常數，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：對溫度依賴性要小；居里溫度：居里溫度向低溫漂移有利于獲得高介電常數。介質層越薄,MLCC電擊穿強度越大.對于高壓MLCC要求其電擊穿強度在5000V以上。適合MLCC的介質材料納米四方相鈦酸鋇是適合MLCC的最佳介質材料：

(1)提高BaTiO3的介電常數：納