壓電材料的物理特性及應(yīng)用

壓電材料是一類具有壓電物理特性的電介質(zhì)，被制成轉(zhuǎn)換元件廣泛應(yīng)用于壓電式傳感器上。壓電效應(yīng)表現(xiàn)為當(dāng)某些電介質(zhì)在一定方向上受到外力的作用而發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的機(jī)械變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，逆壓電效應(yīng)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

自然界中天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷和有機(jī)高分子材料都是壓電效應(yīng)比較明顯的壓電材料，其應(yīng)用也很廣泛。

一、石英晶體的壓電特性及其應(yīng)用

石英晶體俗稱水晶，成分是二氧化硅（SiO2），它是一個(gè)正六面體，有三個(gè)坐標(biāo)軸，Z軸是晶體的對(duì)稱軸，稱為光軸，在這個(gè)方向上沒有電壓效應(yīng)；X軸稱為電軸，垂直于X軸晶面上的電壓效應(yīng)最明顯；Y軸稱為機(jī)械軸，在電場(chǎng)力的作用下沿此軸方向的形變最顯著。

用水晶制作壓電石英薄片，在交變電場(chǎng)中，這種薄片的振動(dòng)頻率穩(wěn)定不變，因此被廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)中，用來控制頻率。彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，以保證圖像和聲音的清晰度。裝有壓電晶體元件的儀器可以測(cè)試蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及各種化工設(shè)備中壓力的變化，測(cè)量管道中流體的壓力。壓電晶體還被廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。

壓電式加速度傳感器是一種測(cè)試加速度的裝置，主要由兩塊壓電晶片、質(zhì)量塊、彈簧和基座構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受到質(zhì)量塊慣性力的作用。根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即：F＝ma。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上，在壓電晶片的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），輸出電量由傳感器輸出端引出，可以根據(jù)輸出電荷測(cè)試出試件的加速度。如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，也可以測(cè)試試件的振動(dòng)速度或位移。

二、壓電陶瓷的物理特性及其應(yīng)用

壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體的壓電材料，屬于鐵電體類，具有類似磁疇的電磁結(jié)構(gòu)。內(nèi)部具有許多自發(fā)極化的電疇，在無外加電場(chǎng)時(shí)，各個(gè)電疇雜亂排布，極化強(qiáng)度相抵為零，沒有壓電特性；加外加電場(chǎng)時(shí)，電疇極化沿電場(chǎng)方向有序排列，當(dāng)外加電場(chǎng)大到使極化飽和時(shí)，即所有的電疇都極化時(shí)，即使去掉外電場(chǎng)，電疇的極化方向也不變，剩余的極度強(qiáng)度也很大，這是壓電陶瓷才具有的壓電特性。

由此可見，壓電陶瓷實(shí)際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷，是具有機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換功能的陶瓷材料。利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置；用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對(duì)金屬進(jìn)行無損探傷，進(jìn)行超聲清洗；還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。

壓電陶瓷非常敏感，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，敏感程度甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、環(huán)境遙測(cè)、地震預(yù)測(cè)等。

三、有機(jī)高分子的壓電特性及其應(yīng)用

壓電材料還有高分子類的，聚偏氟乙烯等類化合物具有較強(qiáng)的壓電性質(zhì)。壓電率的大小取決于分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外，許多含有其他強(qiáng)極性鍵的聚合物也表現(xiàn)出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓電特性，而且高溫穩(wěn)定性較好，主要作為換能材料使用，如音響元件和控制位移元件的制造。將兩枚壓電薄膜貼合在一起，分別施加相反的電壓，薄膜將發(fā)生彎曲而構(gòu)成位移控制元件，利用這一原理可以制成光學(xué)纖維對(duì)準(zhǔn)器件、自動(dòng)開閉的簾幕、唱機(jī)和錄像機(jī)的對(duì)準(zhǔn)件。

如今壓電材料的研究和應(yīng)用開發(fā)又有了新熱點(diǎn)，一是細(xì)晶粒壓電陶瓷，將基片做得更薄，提高陣列頻率和機(jī)械強(qiáng)度，降低換能器的損耗和驅(qū)動(dòng)電壓，在換能器和傳感器方面有較大優(yōu)勢(shì)；二是PbTiO3系壓電材料，最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應(yīng)用；三是壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，它的接收靈敏度更高；四是多元單晶壓電體，具有更優(yōu)異壓電性，這類材料的出現(xiàn)必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。

（作者單位：遼寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校）