电致伸缩

物理学名词

电致伸缩指的是有些多晶材料如锆钛酸铅陶瓷等，存在着自发形成的分子集团即所谓电畴，它具有一定的极化,并且沿极化方向的长度往往与其他方向的不同。当有外加电场作用时,这种电畴就会发生转动,使其极化方向尽量转到与外电场方向一致,因此这种材料沿外电场方向的长度会发生变化，这种现象称为电致伸缩效应。

解释

这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特征是应变的正负与外电场方向无关。在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。

一般地，电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小几个数量级。要在普通电介质中获得相当于压电体所能得到的大小的应变，外电场需高达10V/m。但在某些介电常数很高的电介质中，即使外电场低于10V/m，亦可获得与强压电体相近的机电耦合作用而提供技术应用。电致伸缩的另一个特点是在应用中其重现性较好。在外加强直流偏置电场作用下,对于叠加的交变电场,电致伸缩材料的机电耦合效应的滞后及老化现象比之常用的铁电性压电陶瓷要小得多。这个优点使得电致伸缩效应常用于压力测量、连续可调激光器、双稳态光电器件等方面。近年来，随着布里渊散射、次级光电效应的研究、激光自聚焦等非线性光学的发展，电致伸缩谐振子和传感器相继问世，电致伸缩现象逐渐引起了人们的关注。

在外电场Ei作用下，记电介质的极化强度为Pj，则电致伸缩所引起的应变分量可写为

式中N和Q称为电致伸缩系数。每种系数各有81个，组成一个四阶张量，称为电致伸缩张量。电介质的结构对称性可以使电致伸缩张量的非零独立分量大为减少。例如对于点群为Oh=m3m的电介质立方晶体，非零独立分量只有两个，即N1111和N1112（或Q1111和Q1112）。这些系数可通过测量外电场（或极化强度）与应变的关系直接得到。

进展

关于电致伸缩材料的研究方向在于使其获得可与压电陶瓷相比拟的形变。已经在两个方面取得进展：制成了电致伸缩效应相当大而电滞后效应和老化现象都很小的材料，以及采用独石电容器结构工艺使产生足够的应变所需的电压相当程度地降低。其中最为可取的是以铌镁酸铅为基体的弛豫型铁电陶瓷，这类材料正在用于制成电致伸缩换能器。

电致伸缩效应

电致伸缩效应是指电介质在电场中发生弹性形变的现象。是压电现象的逆效应。这种现象可说明如下：电介质置于电场中时，它的分子发生极化，沿着电场方向，一个分子的正极与另一个分子的负极衔接。由于正负极相互吸引，使整个电介质在这个方向上发生收缩，直到其内部的弹性力与电引力平衡为止。如在一电介质物体两端表面间加上交变电压，而且其频率与物体的固有频率相同，它将发生机械共振。电致伸缩在工程技术上有很多应用，如利用压电石英制成石英钟、产生超声波等。

原理

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电介质在外电场Eα(α=x、y、z)作用下会出现与电场的二次项EαEβ成比例的应变，这种效应称为电致伸缩。描述电致伸缩的自变量可以是电场，也可以是极化强度Pα；响应量可以是应变，也可以是应力。当以极化强度为自变量时，响应量比例于二次项PαPβ。对于非铁电性电介质，Pα与Eα有线性关系，这种自变量描述方法之间的联系十分简单。对于铁电性电介质，由于Pα和Eα之间出现电滞回线关系，响应只比例于极化强度的二次项，而与电场强度之间出现蝶形回线关系。

电致伸缩效应不同于逆压电效应；后者是一次项的线性响应效应，只可能出现于无对称中心的固体电介质中。压电常数是一个三阶张量；描述各向异性电介质电致伸缩效应的物性参数则是一个四阶张量。在非压电性电介质中只出现电致伸缩效应；在压电体中压电效应和电致伸缩效应同时出现。[1]

应用

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任何电介质都有电致伸缩效应。由于电致伸缩效应一般比较微弱，长期以来未能在应用上引起重视。70年代末发现高介电常数材料以及铁电材料在略高于Curie点附近具有特别大的电致伸缩应变。它们都属于钙钛矿型结构的弥散相变铁电体，例如铌镁酸铅和钛酸铅固溶体。当外电场为10kV/cm时，电致伸缩应变可达10-5，与优良的压电体所能提供的压电应变在数量级上相同。由于电致伸缩材料的重复性好、响应时间快、温度稳定性和经时稳定性好，特别适用于制作精密的微小位移调制器。

在工程技术上应用压电晶体的电致伸缩效应可制成：①石英钟以及稳定性高的变频振荡器和选择性好的滤波器等。② 电话耳机、压电音叉(把电的振荡还原为晶体的机械振动，通过金属薄片发出声音)。③超声波发生器。将压电晶体片放在平行板电极间，在电极间加上频率与晶体的固有频率相同的交换电压使晶片产生强烈振动而发出超声波。④压电厚度计和压电流量计。利用压电晶体产生的超声波测定物体的厚度和流体的流量。沿液体流动方向设置两个保持一定间隔的超声波换能器，一个发送信号，另一个接收信号，每隔1/100秒两者收发作用互换。因超声波在顺流和逆流情况下发送和接收时会出现与流速成比例的位相差，故只要指示出位相差即可测出流速和相应的流量。[2]

电致伸缩陶瓷

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电场作用下，由伸缩形变效应而发生微小形状或尺寸变化的陶瓷。主要有铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅—钛酸铅 (PMN-PT)、锆钛酸铅镧 (PLZT)、锆钛酸铅钡(Ba-PZT)等。具有分辨率高、稳定性好、精度高、速度快等优点。电致应变量与电极化强化的平方成正比，电致伸缩频率为外加交变电场频率的两倍。电致应变量可达10-3数量级。不因电畴退极化引起老化现象。用于制作微位移驱动器、定位器，制造微动、定位的精密驱动、转换元件，在高技术领域用途广泛。

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