电致伸缩效应及其应用.pdf

1、电 致 伸 缩 效 应 及 其 应 用王 虹中 山 大 学 物 理 系方 时 , , 一 ,电 致 伸 缩 效 应电 致 伸 缩 效 应 是 一 种 机 电祸 合 效 应 它 是 指 当 外 电 场 作 用 于 电 介 质 上时 , 所 产 生 的 应 变 正 比 于 电 场 强 度 或 极 化 强度 的 平 方 的 现 象 由 于 电 致 伸 缩 效 应 引 起 的应 变 与 外 加 电 场 的 方 向 无 关 , 所 以 一 般 固 体 电介 质 都 能 产 生 电 致 伸 缩 效 应由 热 力 学 唯 象 理 论 可 知 , 对 于 晶 格 点 群 属于 具 有 对 称 中 心 的 材

2、料 , 其 应 变 与 极 化 强 度的 关 系 为 无 外 应 力 时, , , , , 俨 , ,即 应 变 与 极 化 强 度 的 平 方 成 正 比 将 的 两 个脚 标 按 惯 例 简 化 成 一 个 , 式 改 写 成, , , 俨 , 友 , , ,再 规 定当 外 加 电 场 沿已 , 一 ,一 ,电 致 伸 缩 系 数 为子 , 万 子 子 ,百 贵 古“ 一 粤 , 。犷 育 即 畜利 用 热 力 学 中 麦 氏 关 系 , 可 得即 夕一 箭 , 。 。 一 诬 猫 ,其 中 口 为 介 质 极 化 率 的 倒 数 , , 为 应 力分 时对 顺 电 晶 休 施 加 流

3、休 静 压 力 , 有, 左, 丁 甘 邵一 ,左 粉 ,卫、 、一一备,其 中 严 , , , 分 别 对 应 于 反 , 的 组 合 为, , 这 样 , 电 致 伸 缩 系 数 口 山 本 来 是个 分 量 的 四 阶 张 量 , 简 化 成 只 有 个 分 量以 电 场 作 为 变 量 时 , 同 样 有 一 , , , , ,也 叫 电 致 伸 缩 系 数对 于 立 方 钙 钦 矿 型 结 构 和 其 它 立 方 晶 系 ,电 致 伸 缩 系 数 张 量 为、,召 , 厅 沙 厅 ,了 巴 二 竺 圣 一 了 巴 一 一 一 卜 , 去 、式 中 ,、 叫 流 体 静 压 力 电 致

4、 伸 缩 系 数 , 它 与 ,的 关 系 为口 一 口 、 口对 于 电 致 伸 缩 效 应 机 理 的 研 究 还 为 时 不久 目 前 研 究 较 多 的 材 料 是 钙 钦 矿 结 构 的 单 晶和 陶 瓷 在 总 结 实 验 结 果 的 基 础 上 , 可 以 认 为钙 钦 矿 型 结 构 的 单 品 或 陶 瓷 的 电 致 伸 缩 效 应 符合 以 下 几 条 经 验 性 规 律 川电 致 伸 缩 系 数 口 的 大 小 与 材 料 的 铁 电 、反 铁 电 、 顺 电 态 无 关 , 而 取 决 于 材 料 阳 离 子 排 列的 有 序 程 度电 致 伸 缩 系 数 口 与 居

5、里 一 外 斯 常 数 的乘 积 为 常 数电 致 仲 缩 系 数 口 正 比 于 热 膨 胀 系 数 的平 方表 列 出 了 几 种 材 料 的 流 体 静 压 力 电 致 伸缩 系 数 口 , 居 里 一 外 斯 常 数 及 其 乘 积 值为 了 解 释 电 致 伸 缩 系 数 与 居 里 一 外 斯 常 数卷 期表有 序 类各 种 钙 钦 矿 型 品 休 的 电 致 伸 缩 系 数 、 居 里 一 外 斯 常 数 及 其 乘 积极 性 类 型 丫 一 一 又 火 , , 本 一 铁 电 无 序部 分 有 序反 铁 电 部 分 有 序简 单有 序 月 仁 幸, 、 , , 八 , , 。

6、, 生 一“ 卜 极 性 无 序简 单又 , 弓 , , , 。 ,弓 一的 乘 积 近 似 不 变 的 实 验 现 象 , ,等 人 提 出 了 一 个 简 单 的 模 型 , 如 图 所图 , , , , 钙 钦 矿 结 构有 序 无 序示 , 分 别 表 示 工 二 、 型 钙 钦矿 晶 体 的 有 序 与 无 序 结 构 假 定 离 子 是 刚 性 的对 于 无 序 型 结 构 , 由 于 半 径 较 大 的 离 子 撑 住了 晶 格 框 架 , 使 得 半 径 小 的 , 离 子 有 较 大 的活 动 空 间 在 有 序 结 构 中 , , 离 子 的 周 围 被, 离 子 对 称

7、地 包 围 着 , 因 而 其 活 动 空 间 相 对 无序 塑 结 构 来 说 要 小 当 对 无 序 材 料 施 加 电 场 时 ,离 子 移 动 较 易 , 而 不 致 使 氧 八 面 体 畸 变 , 这 样单 位 电 场 强 度 引 起 的 极 化 强 度 就 大 , 也 就 是 说介 电 常 数 大 , 或 有 较 大 的 居 里 一 外 斯 常 数 但单 位 电 场 强 度 引 起 的 应 变 却 小 , 即 电 致 伸 缩 系数 小 另 一 方 面 , 在 有 序 结 构 中 , 离 子 移 动 没那 么 自 由 , 结 果 是 其 居 里 一 外 斯 常 数 较 小 , 而 电

8、致 伸 缩 系 数 较 大 可 见 在 两 种 结 构 中 , 两 个 参数 的 乘 积 总 是 近 似 不 变 的根 据 , 两 式 , 电 致 伸 缩 应 变 正 比 于口 。 , 消 除 与 温 度 有 关 的 部 分 后 , 就 是 应 变 正 比于 口 对 钙 钦 矿 材 料 , 值 近 似 不 变 , 因而 要 得 到 大 的 电 致 伸 缩 效 应 , 就 要 求 材 料 的值 小 , 值 大 已 经 证 实 , 在 扩 散 相 变, 的 材 料 中 , 铁 电 陶 瓷 在 铁 电 一 顺电 相 转 变 时 可 以 得 到 无 滞 后 的 较 大 的 电 致 伸 缩效 应 , 并

9、 已 获 得 有 实 用 价 值 的 结 果 【 , 一 对 反铁 电 一 铁 电 相 变 材 料 , 类 似 的 情 形 已 在 扩 散 型一 系 统 中 得 到 证 实 , , 但 对 非 扩 散的 系 统 , 仍 然 存 在 着 滞 后 现 象 川物 理电 致 伸 缩 效 应 的 主 要 缺 点 是 温 度 效 应 大虽 然 由 实 验 得 到 的 电 致 伸 缩 系 数 口 几 乎 与 温 度无 关 , 但 介 电 常 数 。 却 与 温 度 有 密 切 关 系 , 因 而应 变 也 与 温 度 有 关 扩 散 相 变 材 料 在 相 变 点 附近 , “ 随 温 度 变 化 平 缓

10、, 在 温 度 效 应 方 面 可 以 得到 改 进 。二 、 电 致 伸 缩 材 料具 体 的 配 方 为 、 。 乃 一室 温 介 电 常 数 约 为 , 扩 散 区 温度 为 一 图 是 它 的 横 向 应 变 与 电 场 的关 系 , 并 与 一 压 电 效 应 相 比 较 可 见 在 周期 电 场 下 , 应 变 的 大 小 与 重 复 性 都 比 一好 电 致 伸 缩 系 数 认 一 一 一 ,耐 一 ,热 膨 胀 系 数 在 一 一 范 围 内 小 于一 前 面 已 指 出 , 电 致 伸 缩 效 应 在 一 切 固 体 电介 质 中 都 有 , 但 其 大 小 不 同 因 为

11、应 变 正 比 于介 电 常 数 的 平 方 , 所 以 铁 电 体 在 其 相 变 温 度 附近 应 该 有 较 大 的 应 变 从 应 用 上 看 , 要 求 加 一个 不 太 强 的 电 场 , 能 够 产 生 足 够 大 的 应 变 , 而 且应 变 与 电 场 的 关 系 没 有 滞 后 , 重 复 性 好 , 同 时 还要 求 温 度 效 应 小 为 此 , 应 该 选 择 介 电 常 数 大并 属 于 扩 散 相 变 的 材 料 此 外 还 要 求 平 均 居 里温 度 在 室 温 以 下 , 接 近 室 温 , 扩 散 区 较 长 目前 , 大 部 分 铁 电 体 及 一 些

12、非 铁 电 体 如 石 英 、 碱 卤晶 体 等 材 料 的 电 致 伸 缩 系 数 都 已 经 测 量 到 了已 经 发 现 电 致 伸 缩 效 应 显 著 的 材 料 有妮 镁 酸 铅 一 钦 酸 铅 固 溶 体 一卜 二,。工户输 聋 奉 纂 偏图 付 一 叮 一 横 向 应 变妮 镁 酸 铅 一 钦 酸 铅 一 妮 锌 酸 钡 固 溶 体一具 体 配 方 为 , 。 , 。 一 , 一 、 。 孟 , ” 其 介 电 常 数 与温 度 的 关 系 为 双 扩 散 型 在 两 个 扩 散 区 之 间 ,变 化 比 较 平 缓 热 膨 胀 很 小 应 变 与 电 场 的关 系 如 图 所

13、示 这 种 双 扩 散 型 材 料 将 会 用 于电 致 伸 缩 控 位 器 、 应 变 片 等 方 面掺 钡 的 错 钦 酸 铅配 方 二 。 二 、 。 , , , , ,电 致 伸 缩 系 数 很 大 心 一 , , 一一 耐 一 , 在 换 能 器 应 用 方 面 可 能 会 有 潜力掺 翻 的 错 钦 酸 铅居 里 温 度 在 附 近 室 温 介 电 常 数 约左 右 电 致 伸 缩 系 数, 一 一 一三 、 应 用价 刀 沁 目图 一 横 向 应 变 随 着 科 学 技 术 的 发 展 , 在 天 文 学 和 光 通 讯卷 期,月呼等 方 面 , 需 要 用 精 密 的 位 移

14、换 能 器 , 以 便 在 几 个波 长 的 微 小 范 围 内 对 光 程 长 度 进 行 调 节 在 精密 机 械 上 也 需 要 超 微 米 的 给 进 装 置 这 一 切 推动 了 新 型 电 致 伸 缩 材 料 系 列 的 发 展 和 应 用与 压 电 换 能 器 相 比 , 用 作 电 致 伸 缩 器 件 的扩 散 型 铁 电 体 具 有 以 下 优 点 具 有 与 压 电陶 瓷 相 当 的 电 致 伸 缩 应 变 位 移 重 复 性 好不 需 要 极 化 使 用 在 顺 电 区 , 没 有 畴 结构 , 不 存 在 经 时 性 能 改 变 的 问 题 匀 热 膨 胀 系数 十 分

15、 小制 造 电 容 器 的 工 业 中 所 采 用 的 多 层 技 术 ,在 新 型 电 致 伸 缩 器 件 的 发 展 中 起 着 重 要 的 作用 在 位 移 换 能 器 中 用 多 层 片 叠 合 起 来 , 使 其在 电 场 的 作 用 下 产 生 的 位 移 是 相 加 关 系 在 压电 器 件 中 , 给 定 电 压 下 的 位 移 正 比 于 层 数 而对 于 电 致 伸 缩 器 件 来 说 , 整 个 位 移 却 正 比 于 层数 的 平 方 , 这 也 是 电 致 伸 缩 器 件 优 于 压 电 器 件的 特 征 之 一 用 一 陶 瓷 制 成 的 内 电 极多 层 微 位

16、移 计 , 在 的 电 压 下 , 厚 度的 瓷 片 可 产 生 拌 的 位 移 , 即 一 , , 而 且在 周 期 电 场 下 重 复 性 十 分 好 将 经 过 热 压 烧 结 的 切 成 扩 、 。厚 的 片 子 , 抛 光 后 在 。 退 火 斗 小 时 , 均匀 溅 射 上 银 电 极 后 , 用 环 氧 树 脂 将 一 块见 方 、 厚 的 玻 璃 粘 上 , 就 制 成 了 一 个 祸连 式 变 形 镜 国 , 可 以 用 来 使 相 千 光 束 自 适 应 地再 聚 焦 与 变 形 镜 相 比 , 器 件 没有 滞 后 的 影 响 , 表 现 了 作 镜 面 调 节 的 优

17、越 性用 电 致 伸 缩 传 感 器 还 能 制 成 双 稳 态光 学 器 件 , 用 于 法 布 里 一 拍 罗 谐 振 器 。 其 特 点 是非 线 性 反 馈 、 快 速 响 应 及 无 滞 后 行 为 利 用这 种 有 电 致 伸 缩 致 动 器 的 双 稳 态 光 学 器件 制 成 光 稳 定 器 , 输 出 功 率 重 现 性 好 , 在 宽 的 输人 功 率 范 围 内 几 乎 不 变电 致 伸 缩 的 逆 效 应 即 介 电 常 数 随 压 力 或应 变 的 变 化 , 提 供 了 一 种 测 量 压 力 的 方 法一 一 材 料 由 于 在 室 温 附 近 具 有 稳 定的

18、温 度 特 性 , 可 以 用 来 制 成 新 型 应 力 计 , 检 验 单轴 压 力 及 流 休 静 压 力电 致 伸 缩 是 非 线 性 机 电 转 换 的 效 应 当 所加 电 场 为 交 变 电 场 时 , 频 率 为 田 的 电 信 号 能 产生 频 率 为 的 机 械 振 动 如 果 加 上 两 个 频 率分 别 为 。 , 。 , 的 电 场 , 材 料 可 产 生 频 率 。 , 。 。 , 。 一 。 的 混 频 声 振 动 将瓷 片 与 一 片 铁 电 一 圆 片 粘 接 起 来 构成 一 个 双 晶 片 , 采 用 弯 曲 振 动 模 就 可 以 制 成 适应 于 低

19、频 率 以 下 的 电 一 声 、 电 一 声 一 电倍 频 器 , 混 频 器总 之 , 由 于 电 致 伸 缩 器 件 的 发 展 , 促 进 了 电致 伸 缩 材 料 的 实 验 和 理 论 研 究 工 作 可 以 预 期 ,电 致 伸 缩 在 未 来 的 电 子 技 术 和 光 学 通 讯 等 方 面将 起 越 来 越 重 要 的 作 用,参 考 文 献, “ 对 “ , , 护 召 , , “ , , , , 乙 夕 扭 万 “ ,雌 , 二 , 月 , , “ ,【 , 了 二 即 形 , 好,从 , ,叭 , 户 杠 夕 , , 尸 九 外 , , , , 从 , ,吐 , , , 夕 , ,二 声 , ,许 煌 寮 , 中 大 学 学 报 自 然 科 学 版 , , , 考 , , 了 , ,助 , 介 刀 , 月 户 川 , ,物 理