压电陶瓷特性分析（一）压电效应.PDF

压电陶瓷特性分析 （一） 压电效应 压电效应是 1880 年由居里兄弟在石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体 的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某 些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为 正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这 种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到 电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压 电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一 [92] 对应 。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与 逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变， 也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场 的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电 效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如 原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的 电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的 电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。 能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO ) ，酒石 2 酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC H O H O) ，锗酸铋(Bi GeO )等。另一类压电晶体 4 4 6 2 12 20 称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO ) ，锆钛酸铅[Pb(Zr Ti )O ，代号 PZT] ，日本制成 3 x rx 3 的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg Nb)O 加入PZT ，代号PCM] ，中国制成的锑锰锆钛酸铅 1/3 2/3 3 [Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 加入PIT 代号PMS]等。 电介质的极化 压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各 向同性电介质的介电性质是不同的。 电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相 对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因， 极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有 [97] 三种 。 (1) 组成电介质的原子或离子，在电场 作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子 的负电中心出现不重合，从而产生电偶极 矩，这种极化称为电子位移极化。 (2) 组成电介质的正负离子，在电场 作用下发生相对位移，从而产生电偶极 矩，这种极化称为离子位移极化。 (3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取 向是无序的，整个电介质的总电矩为零( 图5.1) 。当外电场作用时，这些电偶极矩将 发生沿外场的定向排列，从而在电介质中产生宏观电偶极矩，这种极化称为取向极 化。 一、无极分子的位移极化 当无极分子电介质处在外电场中时，在电场力作用下，分子的正负电荷中心将 产生相对位移形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P 的方向都沿着电场的方向 ( 图5.2)，对于一块电介质整体来说，由于电介质中每一个分子都形成了电偶极子， 它们在电介质中作如图 5.3 所示的排列。在电介质内部相邻电偶极子的正负电荷相 互靠近，如果电介质是均匀的，那