壓電性
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中文名;壓電性 對象;單晶體 時間;1880年 人物;P.居里和J.居里兄弟 |
礦物的壓電性是指某些介質的單晶體，當受到定向壓力或張力的作用時，能使晶體垂直於應力的兩側表面上分別帶有等量的相反電荷的性質。若應力方向反轉時，則兩側表面上的電荷易號。
水晶等單晶體就具有壓電性。[1]
目錄
歷史沿革
電介質在壓力作用下發生極化而在兩端表面間出現電位差的性質。
1880年法國人P.居里和J.居里兄弟發現石英晶體受到壓力時，它的某些表面上會產生電荷，電荷量與壓力成正比；稱這種現象為壓電效應；具有壓電效應的物體稱為壓電體。
居里兄弟還證實了壓電體具有逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電晶體的對稱性較低，當受外力作用產生形變時單胞中正負離子的相對位移使得正負電荷中心出現不相等的移動，導致晶體發生宏觀極化；而晶體表面電荷密度等於極化強度在表面法向上的投影，故晶體受壓力形變時表面出現電荷。
壓電常數
外電場和晶體的極化強度都是矢量，在直角坐標系中其分量分別記為Eα和pα;α=1、2、3。晶體的應變 s是個二階對稱張量，只有六個獨立分量，記為Si;i=1、2、3相應的為三個縱應變分量; i=4、5、6相應的為三個切應變分量。當形變不太大時壓電效應為線性，
可用方程組描述為 (1)
對於逆壓電效應有 (2)
稱eαi為壓電常數,亦稱壓電應力係數。稱dαi為壓電模量，亦稱壓電應變係數。e和d都是三階張量,通稱為壓電張量，一般地可以各有18個獨立分量，晶體的對稱性可以使壓電張量的非零獨立分量個數進一步減小。
晶體點群
在32個晶體點群（見晶體的對稱性）中有11個具有對稱中心；有對稱中心的晶體壓電張量的所有分量均等於零，它們都不是壓電體。屬於點群432的晶體雖無對稱中心，但其對稱性較高，也沒有壓電性。壓電晶體只可能屬20個點群（見下表）：
具有閃鋅礦結構的ZnS屬於點群嬄3m，其壓電張量只有一個非零獨立分量d14=d25=d36。屬於點群1的晶體的壓電張量可以有18個非零獨立分量。
e和d不是互相獨立的，它們的分量通過晶體的彈性係數聯繫起來,由熱力學理論可以得出其間的關係式。壓電張量分量的數值與坐標系相對於晶軸的方向有關。50年代以後國際上通用 IRE標準規定的直角坐標系。當壓電體的應變較大時，壓電效應出現非線性。
壓電材料
定義
壓電材料 鐵電單晶和鐵電陶瓷（見鐵電性）經過人工極化後都是壓電體。非鐵電型壓電體可以是單晶體或高分子聚合物。技術上應用的壓電材料的主要性能用彈性常數、介電常數、壓電常數和機電耦合係數來標記，常簡單地合稱這些參數為壓電體的電彈常數。機電耦合係數是壓電體通過壓電效應轉化的能量對輸入於壓電體的總能量的比值，標誌壓電體將機械能與電能互相轉換時的效率。壓電體的介質和機械損耗角正切的倒數分別稱為電品質因數和機械品質因數。
天然壓電材料
天然的壓電材料有石英、電氣石等。人工合成材料有酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、人工石英、壓電陶瓷、碘酸鋰、鈮酸鋰、氧化鋅和高分子壓電薄膜等。中國自50年代開始，科學院、高校和工礦企業等單位廣泛進行人工壓電材料合成，在上述材料中的多數方面都取得好成績和有大規模的生產，解決了國內需要，並得到國際上的重視。
鈦酸鋇壓電陶瓷
40年代發現了鈦酸鋇壓電陶瓷，接着製成了一系列的其他壓電陶瓷。由於陶瓷不溶於水，工作溫度高，機械強度大並且容易製成各種需要的幾何形狀，成本低廉，使壓電體的應用得到很大的發展。壓電陶瓷是鐵電多晶體。
鐵電陶瓷一般不具有壓電性，但是經過人工極化後，其中各個微晶粒的電矩取向沿極化時的外電場方向占優勢，產生一個平均不為零的宏觀剩餘極化強度pr而成為壓電陶瓷。通常陶瓷的pr比同種材料單晶體的自發極化強度pS小很多。壓電陶瓷的宏觀性質方向對稱性屬於點群∞m,它的無窮次對稱軸沿人工極化時外加電場的方向。其壓電張量非零獨立分量個數與6mm相同，即
d31=d32，d33，d15=d24。
鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷
應用最廣的是鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，簡稱為 PZT。這系列材料在准同型相界附近具有很高的壓電性，而且性能可以通過改變成分和摻雜來調整。其居里點高達350℃以上,機電耦合係數可高達0.7, pr可達0.4C/m2，d15可達7×10-10C/N，d33可達 5×10-10C/N，d31可達-2×10-10C/N。 壓電諧振器 壓電晶體通常按特殊的方式切割成具有某種幾何形狀，再在表面上加上一對適當的電極，利用它的機械諧振性能與壓電效應相耦合而成為壓電諧振器。薄片狀振子其法向沿x、y或z軸方向者分別稱為X切、Y切和Z切；參見圖1, 其中的坐標系相對於晶軸的關係按 IRE標準規定。不同壓電晶體按應用上的要求有許多特殊的切割方法。
石英晶體在高溫時為β型, 屬點群622；當溫度降至573℃時轉變為α 型，屬點群32。通常應用的都是α石英，中國俗稱水晶,或簡稱石英。它的z軸與三次對稱軸平行，就是光軸；x軸沿二次對稱軸，是個極軸，稱為電軸；y軸垂直於zx平面,稱為機械軸，圖1還給出了石英的兩種特殊取向切割法，稱為AT切和GT切；這兩種切片在室溫範圍附近諧振頻率與溫度無關。α石英的壓電張量只有兩個非零獨立分量
式中對於左旋石英數據取正號，右旋石英取負號。
可以設計出具有各種諧振模式的壓電振子。例如 X切的一塊石英薄片，在兩面上加上電極（圖2a），就可以按薄片的設計形狀在不同頻率上用交流電壓激發各種模式的機械諧振。圖2b為利用d11激發的厚度諧振。圖2c為利用d12激發的縱向長度諧振，圖2d為利用d14激發的切變諧振。不同材料製成的壓電振子還可激發其他更多方式的諧振，例如圓盤的徑向諧振、長條的彎曲諧振等等。
壓電諧振器
壓電諧振器在諧振區附近的頻率特性可用圖3的等效電路描述。它有一個串聯諧振頻率和一個並聯諧振頻率。通過對等效電路的各種電性能參數的測量，可以計算出材料的彈性常數、介電常數、壓電常數、機電耦合係數等電彈常數以及振子的Q值。
壓電體的應用
單晶和陶瓷壓電諧振器在電子技術中廣泛用作穩頻元件和帶通濾波器。石英晶體具有良好的化學、機械和老化性能；石英振子Q值高達105；採用AT或GT切石英振子組成的振盪電路，可以做到其頻率長期欠穩度不超過109分之一；可用於石英鐘,是近代計時標準。
壓電體用作電聲換能器，無論在產生或接收聲波中都十分有效, 大量用於聲吶、 超聲無損檢測、功率超聲和蜂鳴器。 石英在水中產生的超聲波理論最大強度可達 2000W/cm2。利用壓電效應激發的機械波頻率最高已達到1011Hz甚至1012Hz，即微波頻段甚至遠紅外頻段。近年用鈮酸鋰等單晶製成了聲表面波器件，大量應用於電視中頻濾波器。
壓電效應
參考來源