電致伸縮

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電致伸縮有些多晶材料如鋯鈦酸鉛陶瓷等，存在着自發形成的分子集團即所謂電疇，它具有一定的極化,並且沿極化方向的長度往往與其他方向的不同。當有外加電場作用時,這種電疇就會發生轉動,使其極化方向儘量轉到與外電場方向一致,因此這種材料沿外電場方向的長度會發生變化，這種現象稱為電致伸縮效應。

中文名：電致伸縮

外文名：Electrostrictive

性 質：現象

特 征：在外電場作用下

優 點：成正比的應變

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目錄

解釋

這種效應是由電場中電介質的極化所引起，並可以發生在所有的電介質中。其特徵是應變的正負與外電場方向無關。在壓電體中（見壓電性），外電場還可以引起另一種類型的應變；其大小與場強成比例，當外場反向時應變正負亦反號。後者是壓電效應的逆效應，不是電致伸縮。外電場所引起的壓電體的總應變為逆壓電效應與電致伸縮效應之和。對於非壓電體，外電場只引起電致伸縮應變。

一般地，電致伸縮所引起的應變比壓電體的逆壓電效應小几個數量級。要在普通電介質中獲得相當於壓電體所能得到的大小的應變，外電場需高達10V/m。但在某些介電常數很高的電介質中，即使外電場低於10V/m，亦可獲得與強壓電體相近的機電耦合作用而提供技術應用。電致伸縮的另一個特點是在應用中其重現性較好。在外加強直流偏置電場作用下,對於疊加的交變電場,電致伸縮材料的機電耦合效應的滯後及老化現象比之常用的鐵電性壓電陶瓷要小得多。這個優點使得電致伸縮效應常用於壓力測量、連續可調激光器、雙穩態光電器件等方面。近年來，隨着布里淵散射、次級光電效應的研究、激光自聚焦等非線性光學的發展，電致伸縮諧振子和傳感器相繼問世，電致伸縮現象逐漸引起了人們的關注。

在外電場Ei作用下，記電介質的極化強度為Pj，則電致伸縮所引起的應變分量可寫為

式中N和Q稱為電致伸縮係數。每種係數各有81個，組成一個四階張量，稱為電致伸縮張量。電介質的結構對稱性可以使電致伸縮張量的非零獨立分量大為減少。例如對於點群為Oh=m3m的電介質立方晶體，非零獨立分量只有兩個，即N1111和N1112（或Q1111和Q1112）。這些係數可通過測量外電場（或極化強度）與應變的關係直接得到。

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進展

關於電致伸縮材料的研究方向在於使其獲得可與壓電陶瓷相比擬的形變。已經在兩個方面取得進展：製成了電致伸縮效應相當大而電滯後效應和老化現象都很小的材料，以及採用獨石電容器結構工藝使產生足夠的應變所需的電壓相當程度地降低。其中最為可取的是以鈮鎂酸鉛為基體的弛豫型鐵電陶瓷，這類材料正在用於製成電致伸縮換能器。

電致伸縮效應

電致伸縮效應是指電介質在電場中發生彈性形變的現象。是壓電現象的逆效應。 這種現象可說明如下： 電介質置於電場中時，它的 分子發生極化，沿着電場方向，一個分子的正極與 另一個分子的負極銜接。由於正負極相互吸引，使 整個電介質在這個方向上發生收縮，直到其內部的 彈性力與電引力平衡為止。如在一電介質物體兩端 表面間加上交變電壓，而且其頻率與物體的固有頻 率相同，它將發生機械共振。電致伸縮在工程技術上有很多應用，如利用壓電石英製成石英鐘、產生超聲波等。

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原理

電介質在外電場Eα(α=x、y、z)作用下會出現與電場的二次項EαEβ成比例的應變，這種效應稱為電致伸縮。 描述電致伸縮的自變量可以是電場，也可以是極化強度Pα；響應量可以是應變，也可以是應力。當以極化強度為自變量時，響應量比例於二次項PαPβ。對於非鐵電性電介質，Pα與Eα有線性關係，這種自變量描述方法之間的聯繫十分簡單。對於鐵電性電介質，由於Pα和Eα之間出現電滯回線關係，響應只比例於極化強度的二次項，而與電場強度之間出現蝶形回線關係。

電致伸縮效應不同於逆壓電效應； 後者是一次項的線性響應效應，只可能出現於無對稱中心的固體電介質中。壓電常數是一個三階張量； 描述各向異性電介質電致伸縮效應的物性參數則是一個四階張量。在非壓電性電介質中只出現電致伸縮效應； 在壓電體中壓電效應和電致伸縮效應同時出現。

應用

任何電介質都有電致伸縮效應。由於電致伸縮效應一般比較微弱，長期以來未能在應用上引起重視。70年代末發現高介電常數材料以及鐵電材料在略高於Curie點附近具有特別大的電致伸縮應變。它們都屬於鈣鈦礦型結構的彌散相變鐵電體，例如鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛固溶體。當外電場為10kV/cm時，電致伸縮應變可達10-5，與優良的壓電體所能提供的壓電應變在數量級上相同。由於電致伸縮材料的重複性好、響應時間快、溫度穩定性和經時穩定性好，特別適用於製作精密的微小位移調製器。

在工程技術上應用壓電晶體的電致伸縮效應可製成：①石英鐘以及穩定 性高的變頻振盪器和選擇性好的濾波器等。② 電話耳機、壓電音叉(把電的振盪還原為晶體的 機械振動，通過金屬薄片發出聲音)。③超聲波 發生器。將壓電晶體片放在平行板電極間，在 電極間加上頻率與晶體的固有頻率相同的交換 電壓使晶片產生強烈振動而發出超聲波。④壓電厚度計和壓電流量計。利用壓電晶體產生的超聲波測定物體的厚度和流體的流量。壓電流 量計的原理結構如圖所示。沿液體流動方向設 置兩個保持一定間隔的超聲波換能器，一個發 送信號，另一個接收信號，每隔1/100秒兩者收 發作用互換。因超聲波在順流和逆流情況下發 送和接收時會出現與流速成比例的位相差，故 只要指示出位相差即可測出流速和相應的流 量。

電致伸縮陶瓷

電場作用下，由伸縮形變效應而 發生微小形狀或尺寸變化的陶瓷。主 要有鈮鎂酸鉛(PMN)、鈮鎂酸鉛—鈦 酸鉛 (PMN-PT)、鋯鈦酸鉛鑭 (PLZT)、鋯鈦酸鉛鋇(Ba-PZT)等。 具有分辨率高、穩定性好、精度高、速 度快等優點。電致應變量與電極化強 化的平方成正比，電致伸縮頻率為外 加交變電場頻率的兩倍。電致應變量 可達10-3數量級。不因電疇退極化引 起老化現象。用於製作微位移驅動器、 定位器，製造微動、定位的精密驅動、 轉換元件，在高技術領域用途廣泛

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