压电陶瓷 （具有压电特性的电子陶瓷材料）

简介

压电陶瓷的诞生可以追溯到1942年，钛酸钡的发现（最早的压电陶瓷材料），钛酸钡压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。随着后面的发展，锆钛酸铅二元系、三元系等压电陶瓷材料相继被人们制作和应用。

压电陶瓷不仅兼备机械能-电能双向转换的优点，还具有灵敏度高，反应速度快，输出载荷大，成本低廉，性能优异等诸多优点。常用于各种声电设备、电力电压技术和滤波器等领域。

发展历史

1880年，压电效应最早被居里兄弟（J.Curie和P.Curie）发现。

1942到1945年间，美国的韦纳、前苏联的伍尔和戈德曼、日本的小川等发现钛酸钡(

对于对称性低的晶胞(如四方晶系)，会由于正负电荷中心的偏离，产生电极化，形成偶极矩，称为自发极化。为了使体系能量最低，邻近的晶胞的自发极化会趋向一致，形成自发极化相同的小块区域，称为电畴，相邻的电畴之间会形成电畴壁。

宏观电极性

虽然电畴带有电极性，但一方面由于不同的晶粒取向不同，另一方面相邻的电畴取向也是随机的，使得宏观上，电畴附有的电极性会相互抵消，压电陶瓷对外不呈现极性。

极化后的结构

电畴运动

当外部施加高直流电场，整个压电陶瓷的内部的自发极化方向会趋于一致，电畴也会在电场作用下运动，方向趋向和电场相同的方向，这时压电陶瓷便具有极性。另外，电畴发生运动的一大特点就是，压电陶瓷会沿着电场方向产生形变。

剩余极化强度

极化工艺后，虽然压电陶瓷没有外加电场，但内部会由于极化时的电畴运动仍然存在一定的极化强度，称为剩余极化强度。

剩余极化强度是压电陶瓷表现出压电效应的基础，这是因为剩余极化产生的电偶极矩作用，会在压电陶瓷表面吸附自由电荷，而压电陶瓷可以通过外部作用力改变内部的电偶极矩，从而改变吸附电荷量，形成压电效应。

压电陶瓷的压电效应

正压电效应

当压电陶瓷外部受力，沿着剩余极化方向被压缩，会导致剩余极化表现出的偶极矩减小，压电陶瓷原来吸附的自由电荷部分被释放(或者吸附异号电荷)，对外表现出放电，这一特性就是正压电效应。并且偶极矩的减小量与施加的力成正比，也就表现为施加的力与压电陶瓷对外放电量成正比。

逆压电效应

当压电陶瓷外部施加电场时(方向与极化方向一致)，会使得极化强度增大，电畴进一步运动，进而使得压电陶瓷沿电场方向形变增加，这种将电能转换为机械能的特性称为逆压电效应。并且压电陶瓷的形变量与外加电场强度成正比。

温度对压电陶瓷的影响

压电陶瓷之所以具备压电特性的一个基本出发点就是，压电陶瓷内部的晶胞需要是可以形成自发极化的低对称性晶系(如四方晶系)的晶胞；对于无法高对称性晶系(如立方晶系)，由于无法产生自发极化，也就不具备压电特性。

而压电陶瓷的晶体结构并不是固定的，它会在一定的温度下发生改变，甚至从一种晶系变成另外一种晶系，在物理学上，这种改变被称作相变。

一般的压电陶瓷，通常会存在一个使其压电特性发生改变的相变温度点；如钙钛矿型压电陶瓷，它在室温下为四方晶系，磁性为铁电态，当温度超过某一温度

钙钛矿型结构压电陶瓷

(1)钙钛矿型结构

钙钛矿型结构的晶体，常以化学通式ABO表示。通式中的A位和B位都是正离子，O为氧负离子，也可以是F、Cl、S元素的负离子。许多重要的压电陶瓷均以钙钛矿型结构存在(居里温度以下为四方晶系、居里温度以上为立方晶系)，也是应用最广泛的压电陶瓷。

(2)钛酸钡压电陶瓷

1. 释义：

   

   上电极

   释义：上电极是指将一种高导电性、粘接强度高的银膜覆盖于已被烧制的陶瓷上，并将其用作电极。烧成的陶瓷在上电极之前通常还会对其表面进行粗细打磨、抛光等处理，目的为了去掉表面的凸出部分，同时可以使得电极和瓷体更加紧密地结合。

   目的：一是利用电极作为传输电荷的载体，二是为极化工艺做准备。

   极化

   释义：极化是为了使压电陶瓷内部的电畴在电场作用下发生取向性变化，实现电畴由各向异性变为各向异性。

   目的：是为了使得压电陶瓷中地铁电畴在外加电场作用下，沿电场方向定向排列，从各相同性转变为各向异性，显示处压电效应。

   应用

   用于点火

   利用压电效应，当压电陶瓷受到外加压力时，压电陶瓷将产生高压，通过高压引线形成电火花，用于点火，常见设备如压电打火机等。

   用于声电设备

   1. 水声换能器

   水声换能器是压电陶瓷的一项重要应用，它利用压电陶瓷同时具备产生声音信号和接收声音信号的能力实现水下探测。要求具有高的驱动特性，高灵敏，和平坦的频率响应，各项参数的稳定性好。

   2. 超声波延迟线

   超声波延迟线是利用压电陶瓷制作的声电换能器，它先能将电信号转换成超声振动，经过介质传输后再通过换能器转换为电信号，利用超声波在介质中传播比电信号传播慢得多的特点，从而达到信号延迟的目的。

   3. 其他声电设备

   扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器、测虫拾音器，用于探测粮库中害虫活动声音。

   用于电力技术

   1. 电压发生器

   原理：利用压电陶瓷可以制作压电发生器，它是基于压电效应的一种机电能量转换器。利用碰撞、发射或专门的气体发生器的瞬时强压，施加在压电陶瓷，使其产生瞬时脉冲高压，用作引信的电源。

   用途：一般用作破甲弹压电引信电源和引信第二辅助电源，还可以用作引信的环境传感器，如加速度传感器、冲击力传感器等。

   2. 压电变压器

   原理：同一压电陶瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应，实现从电能到机械能再到电能的转换，以此来达到升降压的功能。

   优势：没有绕组结构，结构轻小；电压变比大、效率高、能量密度高；安全稳定、抗电磁干扰及噪声；没有燃烧、漏磁和电磁辐射污染等问题。

   3. 压电超声马达

   原理：压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应的新型微电动机，在电流驱动下，压电陶瓷产生超声振动，通过谐振进行放大，通过摩檫力将振动部分的能量传递到驱动结构。

   优势：该结构简单，重量轻，扭矩大，功耗低，响应速度快，具有很好的抗电磁辐射性能。

   用于滤波器

   压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应，将信号波段进行分割和选择性通过。

   1. 原理：在交变电场下，压电振子产生机械振动，当外电场频率增加到某一值时，振子的阻抗最小，输出电流最大，此时的频率称为最小阻抗频率；当频率升高到另一值时,振子阻抗最大，输出电流最小，此时频率称为最大阻抗频率。压电振子对最小阻抗频率附近的信号衰减很小,而对最大阻抗频率附近的信号衰减很大,从而起到滤波作用。

   2. 用途：调频接收机、调频立体收音机、电视机、通信机等设备中的中的滤波器；

   3. 对压电陶瓷的要求：频率随温度和时间的稳定性应相当好，机械品质因数要大，介电常数和机电耦合系数的调节范围宽，可加工成薄片，能在高频下使用。