压电陶瓷

压电陶瓷
汪钰博 2017/11/09
1 基本释义 2 发展历史 3 压电陶瓷基本性质 4 物质组成 5 制造工业 6 主要用途
目录
基本释义
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。与典型的不包 含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相 都是具有铁电性的晶粒。
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部 会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电 效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场 去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
B.介电性及弹性性质
压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用真空介电 常数ε0来表示。在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系：
表示,P为极化强度,ε0为真空介电常数,x为电极化率,E为外加电场。不同 用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声 器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料 的介电常数要小。
发展历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压 电学的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正 逆压电常数。
1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有 可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。
第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电 效应，制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史篇章。
压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作 用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生 如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有 变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极 化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如 果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成 机械效应的现象是逆压电效应。
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺 寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确 控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技 术、生物工程等领域都是一大福音。
谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键 器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精 度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在 多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背 而面临着被替代的命运。
物质组成
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第 三种ABO3(A表示二价金属离子,B表示四价金属离子或几种离子总 和为正四价)型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等 组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物, 可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电 陶瓷,如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO.3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5) 等,它们不含有毒的铅,对环境保护有利。
1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT 压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电陶瓷基本特性
A.压电陶瓷的压电性
压电特性的物理机制
B.介电性及弹性性质
C.其他特性
A.压电陶瓷的压电性
压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。 正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中 心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号 相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正 比, 遵循公式：
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参 数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律:
Xmn=cmnpqxmnpq
式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, Xmn为应力, xmnpq为应变。 对于压电体, 由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有 关。
C.其他特性
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成 电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀 对空气的扰动，用它来Leabharlann Baidu作压电地震仪，能精确地测出地震强度， 指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。
当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷 中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种 效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：
dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应 变。
第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取 得划时代的进展。
1946年麻省理工学院发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压 电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一 定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。
1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处 理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3 压电陶瓷制作超声换能器等各种压电器件的应用研究。
压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合 程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:
其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。
压电特性的物理机制
经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极 表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压 力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。 这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。