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壓電陶瓷釋義和功能特性

  壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng)，壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有介電性、彈性等，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)等。壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作，具有敏感的特性，壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們服務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活而努力。其中湖南省美程陶瓷科技有限公司生產(chǎn)的無鉛壓電陶瓷，無鉛壓電陶瓷片，電子煙霧化片陶瓷更是適用于美容補(bǔ)水儀、醫(yī)療吸藥器械、USB迷你加濕器、美容美發(fā)小電器、車載加濕、高級(jí)玩具、電子煙、精油香水霧化等設(shè)備和領(lǐng)域。

基本釋義

  壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料。與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是： 構(gòu)成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。由于陶瓷是晶粒隨機(jī)取向的多晶聚集體，因此其中各個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的。為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被復(fù)電極之后，將其置于強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向。經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷，在電場(chǎng)取消之后，會(huì)保留一定的宏觀剩余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì)。

發(fā)展歷史

1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學(xué)的歷史。

1881年，居里兄弟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。

1894年，Voigt指出，僅無對(duì)稱中心的二十種點(diǎn)群的晶體才有可能具有壓電效應(yīng)，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得應(yīng)用。

第一次世界大戰(zhàn)，居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應(yīng)，制成了水下超聲探測(cè)器，用于探測(cè)潛水艇，從而揭開了壓電應(yīng)用史篇章。

第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷，壓電材料及其應(yīng)用取得劃時(shí)代的進(jìn)展。

1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向，除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化，使它具有壓電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。

1947年，美國(guó)Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高壓進(jìn)行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性，隨后，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應(yīng)用研究，這種研究一直進(jìn)行到50年代中期。

1955年，美國(guó)B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了比BaTiO3壓電性更優(yōu)越的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推進(jìn)了一大步。BaTiO3時(shí)代難于實(shí)用化的一些用途，特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器，隨著PZT的問世，而迅速地實(shí)用化，應(yīng)用聲表面波（SAW）的濾波器、延遲線和振蕩器等SAW器件，在七十年代后期也取得了實(shí)化。 [2]

2021年，上海硅酸鹽研究所的高溫高穩(wěn)定壓電陶瓷材料，可以在250攝氏度、300攝氏度以及500攝氏度的高溫下穩(wěn)定應(yīng)用，經(jīng)受住了高低溫等惡劣環(huán)境實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于“嫦娥三號(hào)”超聲電機(jī)、四代機(jī)激光陀螺儀、長(zhǎng)征運(yùn)載火箭等裝備上。

物質(zhì)組成

  常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3（A表示二價(jià)金屬離子，B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià)）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。如果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外，還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷，如偏鈮酸鉀鈉（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏鈮酸鍶鋇（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它們不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。

特性

介電性及彈性性質(zhì)

  壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)程度，通常用介電常數(shù)ε0來表示。在外電場(chǎng)不太大時(shí), 電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)可用線性關(guān)系：

  表示，P為極化強(qiáng)度，ε0為真空介電常數(shù)，為電極化率，E為外加電場(chǎng)。不同用途的壓電陶瓷元器件對(duì)壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如，壓電陶瓷揚(yáng)聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。

  壓電陶瓷的彈性系數(shù)是反映陶瓷的形變與作用力之間關(guān)系的參數(shù)。壓電陶瓷材料同其它彈性體一樣，遵循胡克定律：Xmn=cmnpqxmnpq，式中cmnpq叫做彈性體的彈性硬度常數(shù)，X為應(yīng)力，x為應(yīng)變。對(duì)于壓電體，由于存在壓電性，彈性系數(shù)的數(shù)值與電學(xué)邊界條件有關(guān)。

壓電陶瓷的壓電性

  壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性，包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機(jī)械外力作用下，介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而引起極化，從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。在外力不太大的情況下，其電荷密度與外力成正比，遵循公式：

  其中，δ為面電荷密度，d為壓電應(yīng)變常數(shù)，T為伸縮應(yīng)力。反之，當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而被極化，由此位移導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱之為逆壓電性。當(dāng)電場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí)形變與外電場(chǎng)呈線性關(guān)系，遵循公式：

  dt為逆壓電應(yīng)變常數(shù)，即d的轉(zhuǎn)置矩陣，E為外加電場(chǎng)，x為應(yīng)變。壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合程度，用機(jī)電耦合系數(shù)K表示，遵循公式：

  其中u12為壓電能，u1為彈性能，u2為介電能。

壓電特性的物理機(jī)制

  經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會(huì)出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當(dāng)給陶瓷片施加一外界壓力F時(shí)，片的兩端會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。相反加以拉力會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電效應(yīng)的現(xiàn)象屬于正壓電效應(yīng)。

  另外, 壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì), 而自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生如圖所示的變化, 壓電陶瓷會(huì)有變形。然而, 壓電陶瓷之所以會(huì)有變形, 是因?yàn)楫?dāng)加上與自發(fā)極化相同的外電場(chǎng)時(shí), 相當(dāng)于增強(qiáng)了極化強(qiáng)度。極化強(qiáng)度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長(zhǎng)。相反, 如果加反向電場(chǎng),則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成機(jī)械效應(yīng)的現(xiàn)象是逆壓電效應(yīng)。

其他特性

  壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等。壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，用它來制作壓電地震儀，能精確地測(cè)出地震強(qiáng)度，指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。

  壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)－－壓電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。

  諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng)，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。