压电材料的原理与分类及应用

压电材料是一种在受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。以下是对压电材料的详细介绍：

一、定义与原理

1. 定义：压电材料是具有压电效应的一类功能材料。压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
2. 原理：压电效应的原理在于，具有压电性的晶体对称性较低。当晶体受到外力作用而发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移会导致正负电荷中心不再重合，这种极化现象使得晶体表面出现异号电荷。相反地，当压电材料在电场中发生极化时，电荷中心的位移将导致材料变形。

二、分类

压电材料主要分为以下几类：

1. 压电单晶体：如石英（水晶）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。这些晶体结构无对称中心，因此具有压电性。
2. 压电陶瓷：用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性强、介电常数高、可加工成任意形状等优点，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差。因此，更适合用于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对于高频和高稳定性的应用则不太理想。
3. 高分子压电材料：如聚偏氟乙烯（PVDF）及其它有机压电薄膜材料。这些材料柔韧度高、密度低、阻抗小且高压电电压常数高，因此在水声超声测量、压力传感以及引燃引爆等方面得到了广泛的应用。但其压电应变常数偏低，这在某种程度上限制了它们作为有源发射换能器的应用。
4. 复合压电材料：在有机聚合物基底中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状的压电材料构成。这类材料已在多个领域如水声、电声、超声和医学等得到了广泛的应用。

三、应用

压电材料的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面：

1. 换能器：将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。如电声换能器、水声换能器和超声换能器等。
2. 传感器：利用压电效应将机械量转换为电信号进行测量。如地震传感器、力、速度和加速度的测量元件以及电声传感器等。
3. 驱动器：利用逆压电效应将电信号转换为机械量进行驱动。如智能结构中的驱动器，具有自承载能力、自诊断性、自适应性和自修复性等功能。
4. 其他应用：打火机中的压电点火装置、医疗领域中的超声波发生器等。

四、发展现状与趋势

1. 细晶粒压电陶瓷：通过减小粒径至亚微米级，可以显著改进材料的加工性，提高阵列频率并降低换能器阵列的损耗。同时，还能增强器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压。
2. PbTiO3系压电陶瓷：以其独特性能在高频高温压电陶瓷元件的制备中表现出色。通过改性改善了其烧结性，获得了细小且各向异性的材料，广泛应用于金属探伤和高频器件领域。
3. 压电复合材料：融合了无机和有机压电材料的优异性能，还能产生两者单独不具备的新特性。因此，可以根据具体需求设计和制造高性能的换能器和传感器。
4. 新型压电材料：如Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+，Mg2+）的发现，标志着压电材料领域的新突破。这类单晶具有更高的压电性能、储能密度和机电耦合系数，有望推动压电材料应用的飞速发展。