[发明专利]挠曲电压电材料

说明书

技术领域

本公开属于功能材料领域，特别是一类利用挠曲电效应设计压电材料的方法和制备工艺

背景技术

一些具有机电耦合效应的材料可以实现机械能和电能之间的转换，广泛地被应用于制备传感器、驱动器、换能器和能量回收等器件，在民用和国防领域有着十分重要的应用。这些机电耦合效应主要包括压电效应、电致伸缩效应以及麦克斯韦效应等；其中压电效应是应用最为广泛的一种机电耦合效应。压电效应存在正压电效应和逆压电效应，其定义为：

正压电效应：P_i＝d_ijkσ_jk

逆压电效应：s_ij＝d_ijkE_k

其中P_i为极化响应，σ_jk为施加的应力，s_ij为产生的应变，E_k为施加的电场，d_ijk为压电系数。

目前，铅基的压电陶瓷，特别是Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)陶瓷，由于具有良好的压电性能，性能可调性以及比较好的压电性能温度稳定性，得以广泛的应用。然而，这些材料中含有超过60wt％的铅，对环境存在比较大的危害，一些国家或地区已经或正在立法限制铅元素在材料中的使用，因而近年来无铅压电陶瓷的探索研究十分活跃。目前获得无铅压电陶瓷主要的方法是通过寻找新的无铅压电材料体系或对已有的材料体系进行改性。虽然无铅压电陶瓷的性能已经得到了极大的提高，但与铅基的材料相比，在压电性能，温度稳定性以及性能的可调控性方面仍存在较大的差距。

早在1999年，美国宾夕法尼亚州立大学的学者提出可以利用一种机电耦合效应——挠曲电效应来设计和制备压电材料；挠曲电效应也存在着正效应和逆效应，其定义为材料在应变梯度下的极化响应或电场梯度下的应力响应，可表达为：

正挠曲电效应：

逆挠曲电效应：Tij=μijkl(∂El∂xk)---(2)]]>

在以上公式中，P₁为介电极化强度；E₁为材料中的电场强度；T_ij和S_ij分别为材料中的应力和应变；μ_ijk1为挠曲电系数，反映的是材料的挠曲电效应的强弱。挠曲电系数为四阶张量，因而在所有对称性的材料中存在着不为零分量。在很多文献中，μ_ijk1经常简化为行列式分量形式μ_ij。