该成果近日将在物理学界权威学术刊物《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上发表, 西安交大多学科材料研究中心、电力设备电气绝缘国家重点实验室博士研究生刘文凤为该文第一作者。

迄今为止，这是无铅压电材料首次在压电性能上超越锆钛酸铅陶瓷。与此同时，任晓兵小组提出了有效提高压电性能的理论，这对开发高性能无铅压电材料指明了重要方向并提供了一套有效方法。该项研究成果不仅是无铅压电材料领域的突破，而且可能由此引发长期依赖有害的锆钛酸铅的工业界向无铅压电材料的变革。

任晓兵教授提出了一个形成大压电效应的新理论，该理论表明：大压电性能与铅并无必要联系，锆钛酸铅只是满足了该理论的要求的一个体系，所有满足该理论要求的体系都可以产生大的压电性。基于该理论该研究小组设计开发了一种新的无铅压电材料：锆钛酸钡钙。他们的研究结果显示：该无铅压电材料具有令人惊异的压电性能，压电系数高达620皮库仑/牛顿，这超过了锆钛酸铅的性能（250-590皮库仑/牛顿）。这是50多年来无铅压电材料的性能首次超越压电材料的经典体系—锆钛酸铅。这项成果对无铅压电材料的研究开发具有重要意义，它不仅研发出一种可以和锆钛酸铅相媲美的对环境无害的压电材料，更重要的是指出了开发大压电性能材料的新方法。该方法可望导致今后出现更多更好的无铅压电材料，从而引发长期使用有害的锆钛酸铅的工业界向无铅压电材料的变革。

该项研究得到了国家自然科学基金与“973计划”项目以及国家外专局/教育部首批学科创新引智（111）计划项目的支持。

迄今为止，压电材料使用钛氧锆铅（PZT），而此次开发的材料不含铅成分，可实现高性能，对环境无害的传感器及换能器制造。这种钛氧钡系列的压电材料，是日本物质材料研究机构的研究人员任晓兵开发出的。压电材料具有增加电压产生伸缩、增加压力产生电压的特性，广泛应用于电能与机械能互相转换的换能器制造，是蜂鸣器、喷墨印刷机等不可缺少的材料。

压电材料利用正离子与负离子的中心移动这一性质，增加电场，使离子轻微移动。但在原理上，最大只能移动0.01%距离。此次研究小组利用新原理开发的压电材料正离子与负离子中心移动时产生的偶极矩电极化的区域，在增加电场之后沿电压方向一齐发生变化，实现了可逆性的巨大电致伸缩效应。在理论上可实现最大5%的移动。

该材料应用于超声成像（特别是医用超声成像）、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提高。

压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。

压电效应聚合物

早在1940年，苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现了压电性。1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。具有较强压电性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龙-11等。

压电效应复合材料

压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外，压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。

定义

压电材料 　铁电单晶和铁电陶瓷（见铁电性）经过人工极化后都是压电体。非铁电型压电体可以是单晶体或高分子聚合物。技术上应用的压电材料的主要性能用弹性常数、介电常数、压电常数和机电耦合系数来标记，常简单地合称这些参数为压电体的电弹常数。机电耦合系数是压电体通过压电效应转化的能量对输入于压电体的总能量的比值，标志压电体将机械能与电能互相转换时的效率。压电体的介质和机械损耗角正切的倒数分别称为电品质因数和机械品质因数。

天然压电材料

天然的压电材料有石英、电气石等。人工合成材料有酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、人工石英、压电陶瓷、碘酸锂、铌酸锂、氧化锌和高分子压电薄膜等。中国自50年代开始，科学院、高校和工矿企业等单位广泛进行人工压电材料合成，在上述材料中的多数方面都取得好成绩和有大规模的生产，解决了国内需要，并得到国际上的重视。

钛酸钡压电陶瓷

40年代发现了钛酸钡压电陶瓷，接着制成了一系列的其他压电陶瓷。由于陶瓷不溶于水，工作温度高，机械强度大并且容易制成各种需要的几何形状，成本低廉，使压电体的应用得到很大的发展。压电陶瓷是铁电多晶体。

铁电陶瓷一般不具有压电性，但是经过人工极化后，其中各个微晶粒的电矩取向沿极化时的外电场方向占优势，产生一个平均不为零的宏观剩余极化强度pr而成为压电陶瓷。通常陶瓷的pr比同种材料单晶体的自发极化强度pS小很多。压电陶瓷的宏观性质方向对称性属于点群∞m,它的无穷次对称轴沿人工极化时外加电场的方向。其压电张量非零独立分量个数与6mm相同，即

d31=d32，d33，d15=d24。

锆钛酸铅二元系压电陶瓷

应用最广的是锆钛酸铅二元系压电陶瓷，简称为 PZT。这系列材料在准同型相界附近具有很高的压电性，而且性能可以通过改变成分和掺杂来调整。其居里点高达350℃以上,机电耦合系数可高达0.7, pr可达0.4C/m2，d15可达7×10-10C/N，d33可达 5×10-10C/N，d31可达-2×10-10C/N。 　压电谐振器 　压电晶体通常按特殊的方式切割成具有某种几何形状，再在表面上加上一对适当的电极，利用它的机械谐振性能与压电效应相耦合而成为压电谐振器。薄片状振子其法向沿x、y或z轴方向者分别称为X切、Y切和Z切；参见图1, 其中的坐标系相对于晶轴的关系按 IRE标准规定。不同压电晶体按应用上的要求有许多特殊的切割方法。

石英晶体在高温时为β型, 属点群622；当温度降至573℃时转变为α 型，属点群32。通常应用的都是α石英，中国俗称水晶,或简称石英。它的z轴与三次对称轴平行，就是光轴；x轴沿二次对称轴，是个极轴，称为电轴；y轴垂直于zx平面,称为机械轴，图1还给出了石英的两种特殊取向切割法，称为AT切和GT切；这两种切片在室温范围附近谐振频率与温度无关。α石英的压电张量只有两个非零独立分量

式中对于左旋石英数据取正号，右旋石英取负号。

可以设计出具有各种谐振模式的压电振子。例如 X切的一块石英薄片，在两面上加上电极（图2a），就可以按薄片的设计形状在不同频率上用交流电压激发各种模式的机械谐振。图2b为利用d11激发的厚度谐振。图2c为利用d12激发的纵向长度谐振，图2d为利用d14激发的切变谐振。不同材料制成的压电振子还可激发其他更多方式的谐振，例如圆盘的径向谐振、长条的弯曲谐振等等。

内容介绍

《压电材料高等力学(英文版)》主要阐述线性压电材料的基本理论和基本研究方法，其中包括Trefftz有限元法、辛力学模型、晗密顿系统；讨论了纤维增强压电复合材料、压电功能梯度材料、含币型裂纹压电材料、压电材料辛力学等问题。