压电材料

压电材料的分类

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料。按结构可分为单晶压电晶体与人工多晶压电陶瓷两大类。

单晶压电晶体

单晶压电晶体中，石英晶体（化学成分为 $\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2$）是典型代表，为各向异性单晶结构，理想形状为六角锥体。石英晶体用 $x$、$y$、$z$ 轴描述：$z$ 轴为光轴，沿该方向受力不产生压电效应；$x$ 轴为电轴，沿该方向受力产生纵向压电效应，电荷出现在垂直于 $x$ 轴的表面上；$y$ 轴为机械轴，沿该方向受力产生横向压电效应，只产生机械变形，不出现电荷集聚。

沿 $x$ 轴方向施加作用力时，在 $yz$ 平面上产生电荷，大小为
$q_x=d_{11}{f}_x$
式中 $d_{11}$ 为 $x$ 方向受力的压电系数（单位 C/N），$f_x$ 为 $x$ 轴方向作用力（单位 N）。电荷 $q_x$ 的符号视 $f_x$ 为压力或拉力而定，且电荷量与切片几何尺寸无关。

沿 $y$ 轴方向施加作用力时，仍在 $yz$ 平面上产生电荷，但极性方向相反，大小为
$q_y=d_{12}\frac{a}{b}{f}_y=-d_{11}\frac{a}{b}{f}_y$
式中 $a$、$b$ 为晶片尺寸，$d_{12}$ 为 $y$ 方向受力的压电系数。

课件列举的单晶压电晶体还包括水溶性压电晶体（如酒石酸钾钠等）和铌酸锂晶体。

多晶压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。其内部晶粒有一定极化方向，在无外电场作用下晶粒杂乱分布，极化效应相互抵消，原始压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。当施加强直流外电场时，晶粒极化方向转动并趋向按外电场方向排列，使材料整体得到极化；外电场越强，极化程度越高，直至饱和，去掉外电场后材料整体极化方向基本不变，出现剩余极化，此时材料才具有压电特性。因此，压电陶瓷要具有压电效应，需先用外电场进行极化；极化后的正压电测量仅需机械应力，不要求持续外加电场。

课件列举的常见压电陶瓷及其特性：

• 钛酸钡（$\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{T}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_3$）：具有较高的压电系数和介电常数，但机械强度不如石英。
• 锆钛酸铅（PZT，$\mathrm{P}\mathrm{b}(\mathrm{Z}\mathrm{r}\cdot \mathrm{T}\mathrm{i}){\mathrm{O}}_3$）：压电系数较高，机电参数随温度、时间等外界条件变化小；在基方中添加一两种微量元素可改变其性能。
• 铌镁酸铅（PMN，$\mathrm{P}\mathrm{b}(\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{N}\mathrm{b}){\mathrm{O}}_3-\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{T}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_3-\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{O}}_3$）：具有较高的压电系数，在压力高达 $700\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{/}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$ 时仍能工作，可用作高温下的力传感器。

压电材料的主要特性比较

单晶压电晶体（如石英）机械强度高、稳定性好；多晶压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）压电系数和介电常数通常高于石英，但机械强度不如石英。PZT 的机电参数随温度、时间等外界条件变化小，稳定性较好；PMN 可在高压高温下工作。选材时需综合考虑压电系数、介电常数、机械强度、温度和时间稳定性以及工作环境（压力、温度）等因素。