压电效应原理
压电效应(英语:Piezoelectricity),是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种,正压电效应及逆压电效应。压电效应在声音的产生和侦测,高电压的生成,电频生成,微量天平(英语:microbalance),和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。
压电效应的发现
1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年,他们通过实验验证了逆压电效应,并得出了正逆压电常数。1984年,德国物理学家沃德马·沃伊特(德语:Woldemar Voigt),推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。
压电材料
压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式,使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类,压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体(压电陶瓷)、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态,则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。
压电单晶体
压电单晶体大多数为铁晶体管。另外还包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等晶体。这些铁电晶体包括:
含氧八面体的铁晶体管,例如钛酸钡晶体、具有铌酸锂结构的铌酸锂、铌酸钽和具有钨青铜结构的铌酸锶钡晶体。
含有氢键的铁晶体管,例如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、和磷酸氢铅(及磷酸氘铅)晶体。
含层状结构的钛酸铋晶体等。
目前应用最广泛的非铁电性的石英压晶体管、铁典型压晶体管铌酸锂和铌酸钽等。
压电多晶体(压电陶瓷)
陶瓷的压电性质最早是在钛酸钡上发现的,但是由于纯的钛酸钡陶瓷烧结难度较大,且居里点(120℃左右)、室温附近(5℃左右)有相变发生,即使改变其掺杂特性,其压电性仍然不高。1950年左右发明的锆钛酸铅(简称:PZT)则是迄今为止使用最多的压电陶瓷。
压电聚合物
早在1940年,苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现了压电性。1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。具有较强压电性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龙-11等。
压电复合材料
压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物(例如聚偏氟乙烯活环氧树脂)的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处,具有很好的柔韧性和加工性能,并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外,压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。