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压电元件基础
作者:alex 发布日期:2017-10-08
压电元件基础
2.1 压电陶瓷的基本特性
压电陶瓷和我们日常生活中陶瓷在结构和机械性质上类似,而且两者都是采用大致相同的方法制成,可以做成任意形状和大小。从物理性质来看,压电陶瓷非常“坚硬”,因此它们具有施加和承受很大应力的能力;从化学性质来看,压电陶瓷是“惰性”的,不受潮湿或其它大气条件影响。所以在生活或工程等领域中有着广泛地应用。
2.1.1 压电陶瓷的压电效应
1880 年,居里兄弟(Jacques and Pirre Curie)首先在α 石英晶体上发现压电效应。当某些电介质晶体在外力作用下发生变形时,在它的表面上出现异号极化或电荷,这种在没有电场作用下,由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应,当力不太大时,极化强度和应力成线性关系;当在压电晶体上加一电场时,晶体不仅要产生极化,还要产生应变和应力,这种现象称为逆压电效应。当电场不是很强时,应变与外电场成线性关系。
图2-1 说明了压电陶瓷圆柱体的压电效应[35]。图2-1(a)表示空载下的圆柱体,如果加上一个外力使材料产生压缩或伸长变形时,就会在电极之间出现电压。如果机械应力使陶瓷体恢复到原来形态——极化前的形态(图2-1(b)),量得的电压将与极化电压得极性相同。当机械应力反向时,电极上的电压也将反向(图2-1(c))。如果将与极化电压极性相反的电压加到电极上,圆柱体就会缩短(图2-1(d))。若外加电压的极性与极化电压极性相同,圆柱体就会伸长(图2-1(e))。当加上交流电压时,圆柱体将交替地伸长和缩短(图2-1(f))
压电陶瓷片
图2-1 压电陶瓷圆柱体上的压电效应[35]
Fig. 2-1 The piezoelecric effect of a ceramics cylinder
为了加深对陶瓷中压电效应的理解,须从微观尺度上来研究材料的性能。压电陶瓷是铁电材料,在某一温度(居里温度)以上时,铁电体的晶体结构有对称中心,因而没有电偶极矩。在该温度以下时,晶体结构发生相变,变成无对称中心的复杂结构。在这种相中,晶体有自发的电偶极子。极化处理之前,压电陶瓷内部晶体中的电偶极子通常处于无序排列状态,此时压电陶瓷从宏观上
来看是各向同性的,对外不呈压电性,如图2-2(a)所示。当在压电陶瓷上施加直流强电场进行极化处理时,电偶极子的排序均衡一致地取向于外加电场,整个晶体显示为一个大的电偶极子,如图2-2(b)所示。压电陶瓷极化处理以后才具有压电性。
压电陶瓷片
图2-2 压电陶瓷的极化[35]
Fig. 2-2 Polarization of piezoelecric ceramics

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