压电材料工作原理_压电方程_应用特性

压电材料自上世纪80年代后期就已问世，且在世界大战中以SONAR的形式服役，现在以其神秘的特性引起广大科技爱好者的注意。

众所周知，无线传感器网络、物联网统治着21世纪的技术时代。为了保持这些新奇事物的正常运行，电源需求已成为最大的挑战。因此，在寻找一种可持续、可靠、可再生的能源时，使得研究人员偶然发现了具有开创性的能量收集器——压电材料。

基本概念

压电材料，英文名Piezoelectric Material，其中，在PIEZOELECTRICITY一词中，术语“piezo”代表压力或应力。因此，压电被定义为“通过施加机械应力或张力产生的电”，表现出这种特性的材料属于压电材料的范畴。

这些材料的发现归功于雅克·居里爵士（1856–1941）和皮埃尔·居里（1859–1906）。在对某些晶体矿物如石英、甘蔗糖等进行实验时，他们发现，在这些材料上施加力或张力会产生极性相反的电压，其大小与施加的负载成正比，这种现象被称为直接压电效应。

次年，李普曼（Lippman）发现了逆效应，指出其中一个产生电压的晶体在暴露于电场时会根据施加电场的极性而变长或变短。当石英在声纳中用作谐振器时，压电材料因其在第一次世界大战中的作用而受到认可。二战时期，人工合成的压电材料被发现，导致了后来压电器件的迅猛发展。当然，在使用压电材料之前，必须知道是什么特性使这些材料具有压电性。

特性及工作原理

压电材料的特性原理在于其独特的原子结构。压电材料是离子键合的，包含成对形式的正离子和负离子，称为晶胞。这些材料在自然界中可用作具有非中心对称晶格的各向异性电介质，即它们没有任何自由电荷并且离子没有对称中心。

1、直接压电效应

当对这些材料施加机械应力或摩擦时，由于正离子和负离子相对于彼此的净运动，晶体原子结构的几何形状会发生变化，从而导致电偶极子或极化。因此，晶体从电介质变为带电材料。产生的电压量与施加到晶体上的应力或张力的量成正比。

2、逆压电效应

当对这些晶体施加电时，电偶极子出现，形成偶极子运动，导致晶体变形，从而产生如图所示的逆压电效应。

合成压电材料

压电陶瓷等人造压电材料表现出自发极化（铁电特性），也就是即使在没有施加电场的情况下，其结构中也存在偶极子。这里产生的压电效应的量在很大程度上取决于它们的原子结构。结构中存在的偶极子形成域区域，其中相邻的偶极子具有相同的排列。最初，这些域是随机定向的，因此不会导致净极化。

当这些陶瓷通过其居里点时，通过向这些陶瓷施加强大的直流电场，这些区域会在施加电场的方向上对齐。这个过程称为极化。冷却至室温并移除施加的电场后，所有域都保持其方向。完成此过程后，陶瓷呈现出压电效应。天然存在的压电材料如石英不显示铁电行为。

压电方程

压电效应可以用下面的压电耦合方程来描述，其中：

直接压电效应：S=sE .T+d. E、逆压电效应：D=d.T+εT.E

其中：D=电位移矢量、T=应力矢量、sE=恒定电场强度下的弹性系数矩阵、S=应变向量、εT=恒定机械应变下的介电矩阵、E=电场矢量、d=正压电或逆压电效应。

另外，施加在不同方向的电场会在压电材料中产生不同大小的应力。因此，符号约定与系数一起使用，以了解应用领域的方向。为了确定方向，轴1、2、3的使用类似于X、Y、Z。极化始终应用于3的方向。带双下标的系数与电气和机械特性相关，第一个下标描述了方向电场根据施加的电压或产生的电荷而定。第二个下标给出了机械应力的方向。

机电耦合系数以两种形式出现。第一个是驱动项d，第二个是传感器项g。压电系数及其符号可以用d33来解释，其中d指定施加的应力在第3个方向、3指定电极垂直于第三轴、第二个3指定压电常数。

工作模式

如上所述，压电材料可以以两种模式工作，分别是：

• 直接压电效应
• 逆压电效应

下面简单句几个例子来说明这种模式的应用。

使用直接压电效应的Heal-Strike发生器

DARPA开发了这种设备，为士兵配备便携式发电机。当士兵行走时，植入鞋子中的压电材料会承受机械应力。由于直接压电特性，材料会因这种机械应力而产生电荷。该电荷存储在电容器或电池中，因此可用于为移动中的电子设备充电。

使用逆压电效应的手表中的石英晶体振荡器

我们都知道手表包含石英晶体，当电池的电流通过电路施加到该晶体时，就会发生逆压电效应。由于施加电荷后的这种效应，晶体开始以每秒32768次的频率振荡。电路中的微芯片对这些振荡进行计数，并每秒产生一个规则脉冲，使手表的秒针旋转。

主要用途

由于其独特的特性，压电材料在各种技术发明中发挥了重要作用。

使用直接压电效应的一些应用包括：

• 在日本的火车站，“人群农场”的概念得到了测试，行人踩在道路上嵌入的压电瓦片上的脚步可以发电。
• 压电效应在机械频率滤波器、表面声波器件、体声波器件等方面得到了有用的应用。
• 声音和超声波麦克风和扬声器、超声波成像、水听器。
• 用于吉他的压电拾音器，为心脏起搏器供电的生物传感器。
• 压电元件还用于声纳波的检测和产生、单轴和双轴倾斜传感。

使用逆压电效应的一些应用包括：

• 执行器和电机。
• 显微镜镜头的微精密放置和微精密调整。
• 打印机中的针驱动器、微型电机、双压电晶片致动器。
• 多层致动器，用于光学中的精细定位。
•  汽车燃油阀中的喷射系统等。

通过耦合电气和机械领域的应用包括：

• 用于研究材料的原子结构。
• 监测结构完整性并在民用、工业和航空航天结构的早期阶段检测故障。

主要优点和局限性

压电材料的优点包括以下几方面内容：

• 压电材料可以在任何温度条件下工作。
• 它们的碳足迹低，使其成为化石燃料的最佳替代品。
• 这些材料的特性使它们成为最好的能量收集器。
• 可以利用以振动形式损失的未使用能量来产生绿色能源。
• 这些材料可以重复使用。

压电材料的局限性包括以下几方面内容：

• 在处理振动时，这些设备也容易接收到不需要的振动。
• 当用于从人行道和道路上获取能量时，阻力和耐用性会对设备施加限制。
• 压电材料刚度与路面材料刚度不匹配。
• 一些鲜为人知的细节和迄今为止所做的研究数量不足以充分大量利用这些设备。

总结

随着人类对各种设备的使用需求不断增加，使得压电材料再次成为人们关注的焦点。当然，这些材料如何克服它们的局限性，使其能够真正被人类广泛的利用？这值得去深思。或许在不久的未来，人们出行不必担心所消耗的燃料量，而只会关心产生的电量，一起拭目以待吧！