整理的压电陶瓷基本介绍

压电陶瓷报告

1.基本概念

压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。

图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片

每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。

图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片

1.1晶胞结构

目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、

KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。该类材料的化学通式为ABO3。式中A的

电价数为1或2，B的电价为4或5价。其晶胞（晶格中的结构单元）结构

如图所示。

压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。如下式及图6所示。PbTiO3（PT）

：四方相立方相

BaTiO3（BT）：三角相正交相四方相立方相

自发极化的产生

以BT材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。

（a）立方相（b）四方相

由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因

490℃

120℃

5℃

-90℃

Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。

这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。

1.2压电效应

某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。

反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。

1.3压电陶瓷

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。

1.4压电作用机理

压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。

当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。

当沿x方向施加压力时,晶体发生形变，正、负电荷中心分离，即电偶极发生变化，从而在X面上出现电荷积累，如图所示。

当沿Y轴方向施加压力时，晶体形变正、负电荷中心的分布如图此示，这时总的电偶极距发生变化并在X面上引起与前面相反符号的电荷积累。显然，用伸拉力代替前面的压缩力，则表明电荷的符号反过来。总之，对具有压电性的晶体施加压力时，可能引起压电效应。

1.5极化作用机理

1.5.1电畴在外电场作用下的运动

若在一块多畴晶体上加足够高的直流电场时，自发极化方向与电场方向一致的电畴便不断增大，反之，则不断减小，最后整个晶体由多畴变为单畴，自发极化方向与电场方向一致。

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互相吸

引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。

（1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核

与壳层电子的负电荷中心出现不重合。

（2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从

而产生电偶极矩。

（3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由

于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。

对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系

m ，n=1，2，3

式中 为极化率，或用电位移写成：

1.5.2 压电陶瓷的电畴

c 轴方向决定自发极化取向

压电陶瓷中晶粒内部结构从立方相变成四方相时，任何一个轴都可能成为四方相

的c 轴。又因自发极化平行于c 轴，所以各晶胞的自发极化取向可以彼此不同。但这不是一种能量最低状态。

能量最低原则决定畴结构

为了符合能量最低原则，四方相晶粒必须形成畴结构，即

晶格匹配要求 晶胞自发极化取向一致小区的存在 能量最低原则要求 自发极化取向不一致小区的搭配

相结构决定畴壁类型

又因为晶粒为四方相时，自发极化的取向只能与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中的自发极化方向只能成90°角或180°角，相应的电畴的交界

面就分别称为90°畴壁和180°畴壁，如图8所示。

晶粒中形成一定的小区排列状态—畴结构

图8 四方相晶体90°畴壁和180°畴壁示意图

2.压电陶瓷的分类

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·NbO3）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。

制造特点

压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。一般极化电场为3～5kV/mm，温度100～150°C，时间5～20min。这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数可高达0.313～0.694。

3.压电陶瓷制作

3.1制作工艺

工艺流程图如下：

一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。

二、混合磨细：一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。

三、预烧：目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.

四、造粒：目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。

五、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。

六、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。