压电陶瓷特性分析(一) 压电效应

压电陶瓷特性分析（一）

压电效应

压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。

任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。

能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6⋅H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。另一类压电晶体

称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。

电介质的极化

压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。

电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因，极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有三种[97]。

(1) 组成电介质的原子或离子，在电场

作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子

的负电中心出现不重合，从而产生电偶极

矩，这种极化称为电子位移极化。

(2) 组成电介质的正负离子，在电场

作用下发生相对位移，从而产生电偶极

矩，这种极化称为离子位移极化。

(3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取向是无序的，整个电介质的总电矩为零(图5.1)。当外电场作用时，这些电偶极矩将

发生沿外场的定向排列，从而在电介质中产生宏观电偶极矩，这种极化称为取向极化。

一、无极分子的位移极化

当无极分子电介质处在外电场中时，在电场力作用下，分子的正负电荷中心将产生相对位移形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向(图5.2)，对于一块电介质整体来说，由于电介质中每一个分子都形成了电偶极子，它们在电介质中作如图 5.3所示的排列。在电介质内部相邻电偶极子的正负电荷相互靠近，如果电介质是均匀的，那么，在它内部处处仍然保持电中性，但是在电介质的两个和外电场强度E0相垂直的表面上，将分别出现正电荷和负电荷(图5.3)，这些电荷不能离开电介质，也不能在电介质中自由移动，称之为极化电荷。这种在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象叫电介质的极化。外电场愈强，每个分子的正负电荷中心之间的相对位移愈大，分子的电偶极矩也愈大，电介质两表面上出现的极化电荷也愈多，被极化的程度愈高。当外电场撤去后，正负电荷的中心又重合在一起(P=0)，所以这类分子可看作由两个异号等量的等效电荷以弹性力相联系的一个弹性电偶极子，其电偶极矩P的大小与场强成正比，由于无极分子的极化在于正负电荷中心的相对位移，所以常叫做位移极化.

二、有极分子的取向极化

至于有极分子电介质，分子中正负电荷的中心本来就等效为一个电偶极子，它在外电场的作用下，将受到力矩的作用，使分子的电偶极矩P转向电场的方向(图5.4)，因为分子热运动的干扰，这种转向是微小的，不可能使所有分子的电偶极矩都沿着电场方向排列起来(图5.5)。外电场愈强，分子的电偶极矩的转向排列也愈整齐，在宏观上，在电介质与外电场垂直的两表面上出现的极化电荷也愈多，被极化的程度也愈高。当外电场撤去后，由于分子的热运动而使分子的电偶极矩的方向又变成无规则的排列，电介质仍呈中性。有极分子的极化在于等效电偶极子转向外电场的方向，所以叫取向极化。一般说来，分子在取向极化的同时，也还存在着位移极化。

无极分子和有极分子这两类电介质极化的微观过程虽然不同，但宏观的效果却是相同的，都是在电介质的两个相对表面上出现了异号的极化电荷，且外电场愈强，所出现的极化电荷也愈多。因此，下面从宏观上描述电介质的极化现象时，就不必分为两种电介质来讨论。

晶体的铁电性

有些电介质的极化现象很是特殊，在一定的温度范围内，它们的介电常数并不是常量，而是随场强而变化的，并且在撤去外电场后，这些电介质并不成为中性，而有剩余的极化。为了和铁磁性物质能保持磁化状态相类比，通常把这种性质叫做铁电性[94]。具有铁电性的电介质则叫做铁电体。其中以钛酸钡陶瓷(BaTiO3)，酒石酸钾钠单晶(NaKC4H4O6⋅H2O)等最为突出[95]。

铁电体在电极化过程中将显示出电滞现象(图5.6)。电滞回线表明，铁电体的极化强度与外加电场之间呈现非线性关系，且极化强度随外电场反向而反向。极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴，所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁[97]。铁电晶体通常是多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化强