压电陶瓷的压电原理与制作工艺

压电陶瓷的压电原理与制作工艺压电陶瓷的用途

随着高新技术的持续进展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的要紧应用领域举例如表1所示。

表1压电陶瓷的要紧应用领域举例

压电陶瓷的压电原理

2.1 压电现象与压电效应

在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。

2.2 压电陶瓷的内部结构

材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定了的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的缘故，第一必须明白压电陶瓷的内部结构。

2.2.1 压电陶瓷是多晶体

用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，能够得到以下几点认识：。

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

每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。

图2 原子在空间规则排列而成晶格示意图

每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。

图3 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片

整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是纷乱而无规则的，如图4所示。如此的结构，我们称其为多晶体。

图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图

2.2.2 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化

晶胞结构

目前应用最的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5所示。

图5 钙钛矿型的晶胞结构

压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是时有所变化的。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

图6 钛酸钡晶胞结构随温度的转变

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

图7 BT 中自发极化产生示意图

由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不显现电极化；四方相时，因Ti4+沿c 轴上移，O2-沿c 轴下移，正负电荷中心不重合，显现了平行于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，因此成为自发极化，其相变温度TC 称为居里温度。

压电陶瓷的电畴

电畴的形成

压电陶瓷中自发极化一致的区域称为电畴（或铁电畴）。下面以的钙钛矿型结构从立方相变到四方相为例，讲明电畴的形成。

c 轴方向决定自发极化取向 490℃

℃ 5℃ 120℃

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，因此各晶胞的自发极化取向能够彼此不同。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

如图33所示

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，因此，相邻两个畴中的自发极化方向只能成90°角角或180°角角，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。

图8 四方相晶体90°畴壁和180°畴壁示意图

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持续增大，反之，则持续减小，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。

压电陶瓷的极化工序，确实是在陶瓷片电极上加一个足够高的直流电场，迫使电畴转向，即使其自发极化作左定向排列，如图9所示。

（a ）极化前 （b ）极化过程中 （c ）极化后 图9 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图

铁电性与电滞回线

由上述知，在T

晶粒中形成一定的小区排列状态—畴结构

在交变电场作用下，压电陶瓷可观看到电滞回线，如图10所示。

图10 压电陶瓷的电滞回线

图中，PS为自发极化强度，Pr为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷极化工序中，一样选择电场强度为2-3倍的EC。

2.3 压电效应的再懂得

极化过的压电陶瓷内的剩余极化强度总是以电偶极矩钜的形式表现出来，即陶瓷一端显现正束缚电荷，另一端显现负束缚电荷，如图11所示。为了屏蔽和抵消剩余极化强度对外界的作用，在束缚电荷作用下，陶瓷电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。

图11 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图

正压电效应

若在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力F，如图12所示。瓷片被压缩，极化强度变小，开释部分原先吸附的自由电荷，显现放电现象。当F撤除后，瓷片回复原状，极化强度又变大，又吸附一些自由电荷，显现充电现象。这种由机械力变电的效应，或者讲由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。

图12 正压电效应示意图（实线代表形变前，虚线代表形变后）

逆压电效应

若在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场，如图13所示。极化强度增大，瓷片发生伸长的形变。反之则发生缩短形变。这种由电点转变为机械运动，或者讲由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。

图13 逆压电效应示意图（实线代表形变前，虚线代表形变后）

小结