压电材料常见类型和特性浅析

压电材料以其惊人的特性从未使用的设备振动中产生电能，正在成为革命性的能量采集器。由于对这些材料的研究，如今有很多压电材料可供选择，这些材料有不同的规格特性。

那么，压电材料究竟有哪些类型，如何选择符合我们要求的材料？在本文中，小编将简单介绍不同类型的压电材料及其特性，以及在选择时需要注意的事项。

主要类型

压电材料包括几种不同的类型，主要包括以下几种。

1、自然存在

这些晶体是具有非中心对称晶格的各向异性电介质。水晶材料，如石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石族矿物，以及一些有机物质，如丝绸、木材、牙釉质、骨头、头发、橡胶、牙本质都属于这一类。

2、人造合成材料

具有铁电特性的材料被用来制备压电材料。人造材料分为五个主要类别——石英类似物、陶瓷、聚合物、复合材料和薄膜。

• 聚合物：聚偏二氟乙烯、PVDF或PVF2。
• 复合材料：压电复合材料是压电聚合物的升级版。它们可以有两种类型，一种是压电聚合物，其中压电材料浸入电无源矩阵中；另一种是使用两种不同陶瓷制成的压电复合材料，例如增强PZT基体的BaTiO3纤维。
• 晶体结构为钙钛矿的人造压电材料：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂等无铅压电陶瓷。

主要特性

不同压电材料的特性是不相同的，下面分别介绍下。

1、石英

• 石英是最流行的单晶压电材料，单晶材料根据体波传播的切割和方向表现出不同的材料特性。在AT切割的厚度剪切模式下运行的石英振荡器用于计算机、电视和VCR。
• 在SAW设备中，使用具有X传播的ST切割石英，该石英具有极高的机械品质因数QM>105。

2、铌酸锂和钽酸锂

• 这些材料是由氧八面体组成的。
• 这些材料的居里温度分别为1210°C和6600°C。
• 这些材料对表面声波具有高机电耦合系数。

3、钛酸钡

• 这些具有掺杂剂（例如Pb或Ca离子）的材料可以在更宽的温度范围内稳定四方相。
• 这些最初用于Langevin型压电振动器。

4、压电陶瓷

• 用Nb5+或Tr5+等供体离子掺杂PZT可提供软PZT，如PZT-5。
• 用Fe3+或Sc3+等受体离子掺杂PZT可提供硬质PZT，如PZT-8。

5、钛酸铅陶瓷

• 由于极低的平面耦合，这些可以产生清晰的超声成像。
• 近年来，对于超声换能器和机电致动器，正在开发具有准同性相界 (MPB) 的单晶弛豫铁电体。

6、压电聚合物

压电聚合物具有某些共同特性，例如：

• 小的压电d常数使它们成为致动器的不错选择。
• 大g常数使它们成为传感器的不错选择。
• 这些材料由于重量轻、弹性软，具有与水或人体良好的声阻抗匹配。
• 低QM导致宽谐振带宽。
• 是定向麦克风和超声波水听器的首选材料。

7、压电复合材料

• 由压电陶瓷和聚合物相组成的压电复合材料形成优良的压电材料。
• 高耦合系数、低声阻抗、机械柔韧性是这些材料的特征。
• 这些材料特别适用于水下声纳和医学诊断超声换能器应用。

8、薄膜

ZnO薄膜由于具有较大的压电耦合而被广泛用于体声波和表面声波器件。

哪种压电材料最好？

根据不同应用要求选择压电材料，所以能够轻松满足使用需求的的压电材料可以认为是最好的。但选择压电材料时需要考虑几个因素。

1、机电耦合系数k

k2=（存储的机械能/输入电能）或（存储的电能/输入机械能）

2、压电应变常数d

将感应应变X的大小与电场E的关系描述为X=dE。

3、压电常数g

g将外部应力X和感应电场E之间的关系定义为E=gX，使用关系P=dX可以声明g=d/ε0.ε，其中ε=介电常数。

4、机械品质因数QM

该参数表征机电共振系统的锐度，QM=ω0/2ω。

5、声阻抗Z

该参数评估两种材料之间的声能传递。这被定义为Z2=（压力/体积速度）。在固体材料中，Z=√ρ.√ϲ，其中ρ是密度，c是材料的弹性刚度。

压电特性表

• 与陶瓷相比，聚合物具有较低的压电常数。
• 当施加相同的电压时，陶瓷基材料的形状变化大于聚合物基材料。
• PVDF的压电电压系数使得它是一种更好的传感器应用材料。
• 由于较大的机电耦合系数，PZT用于必须将机械应力转换为电能的应用中。
• 为在机械共振下工作的应用选择压电材料时需要考虑的三个参数是机械品质因数、机电耦合因数和介电常数。这些参数的量级越高，最适合应用的材料。
• 压电应变系数大、非滞后应变水平大的材料最适合用作致动器。
• 具有高机电耦合系数和高介电常数的材料最适合作为换能器。
• 低介电损耗对于偏共振频率应用中使用的材料很重要，因为它会产生低热量。

总结

基于上述这些物理、材料、机电特性，可以轻松区分压电材料，这些特性有助于我们为我们的应用选择最好的压电材料。