壓電材料的物理特性及應用

壓電材料是一類具有壓電物理特性的電介質，被制成轉換元件廣泛應用于壓電式傳感器上。壓電效應表現為當某些電介質在一定方向上受到外力的作用而發生變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷，當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變，受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應；相反，當在電介質的極化方向上施加交變電場，這些電介質也會發生機械變形，電場去掉后，電介質的機械變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。正壓電效應是把機械能轉換為電能，逆壓電效應是把電能轉換為機械能。

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高分子材料都是壓電效應比較明顯的壓電材料，其應用也很廣泛。

一、石英晶體的壓電特性及其應用

石英晶體俗稱水晶，成分是二氧化硅（SiO2），它是一個正六面體，有三個坐標軸，Z軸是晶體的對稱軸，稱為光軸，在這個方向上沒有電壓效應；X軸稱為電軸，垂直于X軸晶面上的電壓效應最明顯；Y軸稱為機械軸，在電場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，在交變電場中，這種薄片的振動頻率穩定不變，因此被廣泛應用于無線電技術中，用來控制頻率。彩色電視機等許多電器設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試蒸汽機、內燃機及各種化工設備中壓力的變化，測量管道中流體的壓力。壓電晶體還被廣泛應用于聲音的再現、記錄和傳送。

壓電式加速度傳感器是一種測試加速度的裝置，主要由兩塊壓電晶片、質量塊、彈簧和基座構成。測量時，傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受到質量塊慣性力的作用。根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，即：F＝ma。這樣，質量塊就有一正比于加速度的應變力作用在壓電晶片上，在壓電晶片的兩個表面上就產生交變電荷（電壓），輸出電量由傳感器輸出端引出，可以根據輸出電荷測試出試件的加速度。如果在放大器中加進適當的積分電路，也可以測試試件的振動速度或位移。

二、壓電陶瓷的物理特性及其應用

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構。內部具有許多自發極化的電疇，在無外加電場時，各個電疇雜亂排布，極化強度相抵為零，沒有壓電特性；加外加電場時，電疇極化沿電場方向有序排列，當外加電場大到使極化飽和時，即所有的電疇都極化時，即使去掉外電場，電疇的極化方向也不變，剩余的極度強度也很大，這是壓電陶瓷才具有的壓電特性。

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

壓電陶瓷非常敏感，可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號，敏感程度甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，可用于聲納系統、氣象探測、環境遙測、地震預測等。

三、有機高分子的壓電特性及其應用

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的壓電性質。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，許多含有其他強極性鍵的聚合物也表現出壓電特性。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，均表現出較強的壓電特性，而且高溫穩定性較好，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，薄膜將發生彎曲而構成位移控制元件，利用這一原理可以制成光學纖維對準器件、自動開閉的簾幕、唱機和錄像機的對準件。

如今壓電材料的研究和應用開發又有了新熱點，一是細晶粒壓電陶瓷，將基片做得更薄，提高陣列頻率和機械強度，降低換能器的損耗和驅動電壓，在換能器和傳感器方面有較大優勢；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用；三是壓電陶瓷-高聚物復合材料，兼備無機和有機壓電材料的性能，它的接收靈敏度更高；四是多元單晶壓電體，具有更優異壓電性，這類材料的出現必將帶來壓電材料應用的飛速發展。

（作者單位：遼寧省本溪市機電工程學校）