第6章压电、铁电材料

锆钛酸铅系(PZT)
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛矿结
构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是Ti4+。 居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不同的锆钛
比Zr／Ti，从而获得不同性能要求的压电陶瓷。
与钛酸钡相比，锆钛酸铅压电系数更大，居里温度在300 ℃以 上，各项机电参数受温度影响小，电性能优异，易批量生产且
根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种无对称中心的晶体
，这20个点群都有可能产生压电效应。如石英就是一种压电材 料。
压电材料
石英压电效应机理
(a)表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力 作用，正负电荷的重心重合，晶体表面的电荷亦为零。
(b)、 (c) 分别为受压缩力与拉伸力的情况，这两种受力情况 所引起晶体表面带电的符号正好相反。
压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.
普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无 规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般无压电效应。 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于 强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化 矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的 压电陶瓷具有压电效应。
随着温度下降，Ti4+偏离氧八面体的中心，则晶体的正、负 电荷中心不重合，晶体的对称性下降。当温度下降到120℃
时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。
在室温下，BaTiO3是属四方晶系的铁电体。 综上所源自文库，在整个温区(<1618℃)，钛酸钡共有五种晶体结 构，即六方、立方、四方、正交、三方，随着温度的降低， 晶体的对称性越来越低。在120℃（即居里点）以上，钛酸 钡晶体呈现顺电性，在120℃以下呈现铁电性。
第六章 压电、铁电材料
压电材料
压电效应：
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的 产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为 “正压电效应”： 机械能转变为电能。 反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场， 它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：电能转 变为机械能。 具有压电效应的物质称为压电材料。
压电材料的应用
压电材料，应用在智能材料与结构中可以解决传统技术中难于
解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取代的。
对压电陶瓷施加应力时，在陶瓷样品的两端就出现一定的电压 。利用正压电效应用于引燃引爆、气体点火等高压发生器；相
反，利用逆压电效应对压电陶瓷施加一个外加电场时，当外电
场频率与压电陶瓷固有谐振频率一致时，形变较大，而且随外 电场的频率作机械振动，向周围媒介发射功率。这种效应可用
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
在1460~120℃之间钛酸钡转变为
立方钙钛矿型结构。
在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-( 氧离子)构成的氧八面体中央， Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体 围成的空隙中。此时的钛酸钡晶 体结构对称性极高，因此不具自 发极化能力。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷
压电陶瓷经极化处理后，与极化方向垂直的两端出现束缚电荷 ，由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外
界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片 将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，而使表面的自由
电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现
充电现象。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡压电陶瓷极化示意图
压电陶瓷材料
1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年，第一 个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料——锆
钛酸铅研制成功。 从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。如用多种元素改进的
锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元
系压电陶瓷也都应运而生。 这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的固溶
体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系
(PZT)陶瓷。 钛酸钡(BaTiO3是一致性熔融化合物，其熔点为1618℃。 1460~1618℃温度下BaTiO3属于非铁电的六方晶系点群 。此时，六方晶系是稳定的。此时，钛酸钡晶体正负电荷 中心重合，所以不具备自发极化能力。
于超声换能器、扬声器、声纳等。
视频：压电陶瓷
压电材料的应用
压电陶瓷扬声器
利用压电陶瓷做出的扬声器，尺寸更小，厚度能够达 到1mm以下，且对音腔体积的依赖性小。 传统手机的 扬声器厚度 至少在3mm 以上，且对 后音腔体积 有要求。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅(PZT)陶瓷出现之前
，广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度) ，限制了器件的工作温度范围。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，出现了以
BaTiO3为基的BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入 PbTiO3，可以使陶瓷的居里温度移向高温，扩大了器件 的工作温度范围。
极化 F 面
Q
机 ｛ 械 能 压电 效 应 及 可逆性
F
逆压电 效应 压电 介质 正压电 效应
电 ｝ 能
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极化现象：
当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对
位移，正电荷沿电场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形 成许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
价格低廉等优点而被广泛应用于电子元器件中。
锆钛酸铅系(PZT)
在锆钛酸铅中添加一种或两种其他微量元素（铌、锡、锰、钨
等）还可以获得不同性能的PZT材料，因此锆钛酸铅系压电陶 瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境和人 类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类社会可 持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成为世界各 国致力研发的热点材料之一。