新闻资讯

压电材料，它有一种神奇的效果——压电效应。正是这种压电效应将电磁波与声波（机械波）结合在一起。所以今天，让我们来了解一下这种神奇的压电效应。

Ⅰ. 压电历史

图1

1880年，在巴黎科学院，皮埃尔和雅克·居里兄弟担任实验室助理。他们发现石英、电气石和罗谢尔盐等压制晶体会在其表面产生电荷。直接压电效应是机械能转化为电能的机制的名称。希腊语单词“piezo”的意思是“按压”。如果沿着（石英块的）主轴拉动或挤压，则在该轴的末端会出现等量的相反符号，这与力成比例，与石英的大小无关。雅克后来在1889年的论文《Chimie et de Physique年鉴》中总结了这一观察结果。

图2:

Gabriel Lippman在1881年使用基本热力学原理的数学推导预测了相反的结果，即对这些材料施加电场会导致内部机械应变。通过测试，居里夫妇迅速证明了这种反压电效应。

图3

在19世纪后半叶，由于科学界对压电现象的浓厚兴趣，压电现象成为一个新的研究领域。这项研究的结果是沃尔德马尔·沃伊特1910年的教科书《Lehrbuch der Kristallphysik》，其中列出了20类具有压电特性的天然晶体。

图4

尽管居里的发现引起了科学界的兴趣，但压电材料的首次实际应用还需要一段时间。

Ⅱ. 压电应用

声纳由保罗·兰格文和他的同事在第一次世界大战期间在法国创造，是第一个实际应用。他们制造了一个水下超声波探头，由两块钢板组成，中间夹着一个传感器和一个由薄石英晶体制成的水听器。当换能器向水中发出高频脉冲时，压敏检波器会拾取回波。深度可以通过计时听到回声所需的时间来确定。

图5

战争结束后，探测器的设计终于完善了。然而，该项目的成功引起了工业化国家对压电技术的极大兴趣。因此，在第一次和第二次世界大战期间，压电晶体的许多新用途被创造出来，包括信号滤波器、麦克风、加速度计和留声机拾音器。

图6

还使用升级的超声波换能器测量材料的弹性和粘度。因此，材料研究取得了很大进展。此外，时域反射计的进步使发现铸造金属和石材中以前无法检测到的缺陷成为可能，从而提高了结构安全性。

图7

石英、电气石和罗谢尔盐等天然物质具有可忽略的适度压电效应。一类被称为铁电体的合成材料的压电常数明显高于天然材料。

图8

第二次世界大战期间，来自美国、日本和俄罗斯三个国家的研究团队独立开发了铁电陶瓷材料钛酸钡（BaTiO3）。东京理工学院的科学家于1952年创造了锆钛酸铅（PZT），它具有更好的灵敏度和工作温度。

图9

自第二次世界大战以来的几十年里，美国取得了巨大的技术进步，但压电器件的市场发展落后于这一科学进步。这可以通过围绕增长所在组织的业务运营的保密性来解释。这可能部分归因于该行业在第二次世界大战期间的起步，部分归因于专利和独家技术将带来重大财务收益的想法。

图10

相比之下，日本的生产商合作迅速解决技术问题并开拓新市场。作为材料研究的结果，新的非专利压电陶瓷家族也得到了发展。日本生产商生产的产品包括用于电视和广播行业的压电陶瓷点火器和信号滤波器。

Figure. 11

Ⅲ. 压电原理

从压电的发现历史中，我们知道逆压电效应是材料在电压作用下变形的过程，即电能转化为机械能。压电效应就是材料在压力作用下产生电压的过程，也就是将机械能转化为电能的过程。的作用。压电效应如下图所示。

图12

这源于主题的独特性。规则晶体通过其晶胞来识别，晶胞是由键连接的原子组成的有序重复结构。即使施加变形，正离子和负离子的整体电荷中心在非压电材料的晶胞中也会平衡，从而防止整体极化。例如铜、铁和其他金属。

图13

对于压电材料，晶体的结构是不对称的，但当没有外力施加时，晶体处于稳定状态，不会向外界显示出极性。然而，当施加外力时，晶体的原子会被分散，内部的电也会被分散。当平衡发生变化时，就会产生极性。当你施加电压时，压电物质中的晶体同样会膨胀和压缩，将电能转化为机械能。

图14

Ⅳ. 压电方程

通过上述解释，可以清楚地看出，压电效应本质上与材料的机械和电学能力的组合有关。弹性材料的胡克定律必须满足材料的机械性能才能存在：

图15

在公式中

S是材料的应变

T是压力

s是材料的应变系数

对于材料的电学性质，可以用电位移方程来描述

图16

式中D为电位移密度e为材料的相对介电常数e为电场强度

如下面的方程所示，这是压电效应的最基本方程，可以将这些方程组合起来构建压电耦合方程。各种压电材料的压电特性和压电系数彼此不同。例如，石英的压力锆钛酸铅（PZT）具有3 10-10的压电值和3 10-12的电系数。

图17

Ⅴ. 压电材料

居里夫妇在发现压电效应的过程中研究了许多物质的表面电荷，发现蔗糖、电气石、石英、黄玉和罗谢尔盐等物质具有压电效应。他们还发现了石英和罗谢尔盐的特性。最大的影响是压电效应。由于科学家们正在进行的研究，越来越多的压电材料正在被创造出来。我们将它们分为以下几组。

① 天然水晶：石英，蔗糖，罗谢尔盐，黄玉，碧玺，柏林石。

② 人工晶体：正磷酸镓（GaPO4）、硅铝石（La3 Ga5 SiO14）

③ 压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3）钛酸铅（PbTiO3）锆钛酸铅（PZT）铌酸钾（KNbO3）铌酸锂（LiNbO3）钽酸锂（LiTaO3）钨酸钠（Na2O4）铌酸钾钠（NaKNb）铋铁氧体（BiFeO3）铌酸钠（NaNbO3）氮化铝ALN氧化锌ZnO

④ 生物压电材料：肌腱木丝珐琅牙本质胶原蛋白

在射频领域，材料是技术进步的基础。压电材料和氮化镓的使用促进了射频设计的显著进步。大多数从事射频工作的人缺乏必要的材料科学技能，因此我们希望本文能为我们提供对压电材料的基本掌握。