常用压电材料及其应用

压电材料包括压电单晶材料、压电多晶材料（压电陶瓷）、有机压电材料，目前压电驱动式高速开关阀中用的一般是各类压电陶瓷和压电单晶材料中的石英晶体。石英晶体是单晶体中具有代表性，同时也是应用最广泛的一种压电晶体，它没有热释电效应，它突出的优点是性能稳定，介电常数和压电常数的温度稳定性特别好。天然石英晶体与人工石英晶体相比，其稳定性更为突出，但石英晶体压电常数较小。压电陶瓷是一种多晶铁电体，锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）目前应用比较广泛，它有较高的压电常数（d₃₃=2～5×10⁹CN^-1）和居里点（300℃），工作温度可达250℃，各项机电参数随温度和时间等外界因素变化很小，其性能远优于钛酸钡压电陶瓷。由于压电陶瓷属于铁电晶体，因此其压电性与热释电性是并存的，这导致在使用中产生非常讨厌的热电噪声。

压电陶瓷是由很多晶体和晶界构成的，虽然每个晶粒本身是各向异性的，但在陶瓷中晶体的取向是随机的，所以陶瓷表现为各向同性。由于铁电陶瓷的晶体在居里温度下具有自发极化和电畴，这些电畴，有一定的极化方向。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图6-36a所示。在陶瓷上施加外电场时，如图6-36b所示，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴可以完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，如图6_-36c所示，即剩余极化强度很大，表现为单轴各向异性，这时的材料才具有压电特性，也就是说，压电陶瓷是经过人工极化处理的铁电陶瓷。

图6-36 压电陶瓷的极化(www.xing528.com)

a）原始状态 b）极化状态 c）极化后状态

压电陶瓷材料在电场下变形的特点是：精度高，重复性好，可精确定位位移到几个纳米，非常适用于需要精确移动和定位的场合。

目前德国EPCOS公司、日本Nec-Tokin公司、法国CEDRAT公司、美国FACE公司、德国PI公司和国内重庆中电集团第26研究所，昆山攀特电陶公司等几家研制的压电晶体材料处于领先水平。