讓我們來聊聊“壓電陶瓷"-推薦中科院系列壓電D33測試儀

單板型壓電陶瓷 圖片來源：京瓷

  陶瓷是古老中國的代名詞，歷史悠久，種類繁多。陶瓷從花瓶、碗碟等器皿發(fā)展到現(xiàn)在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶體的微觀極化特性的發(fā)現(xiàn)。功能陶瓷是以電、磁、聲、光、熱和力學(xué)等信息的存儲(chǔ)、檢測、耦合及轉(zhuǎn)換等主要特征的介質(zhì)材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領(lǐng)域的主流材料之一。

中科院聲學(xué)所ZJ-3系列壓電D33系數(shù)測試儀是目前應(yīng)用比較廣泛的設(shè)備，加上PZT-JH10/4型壓電陶瓷極化設(shè)備，PZT-JH30/3復(fù)合極化設(shè)備（塊體+PVDF薄膜），ZJ-YP15型陶瓷壓片機(jī)，ZT-4A型鐵電測試儀，GWJDN-1000型高溫介電溫譜測試儀，這些都是構(gòu)成了當(dāng)前功能陶瓷的主要測試設(shè)備。

一、什么是壓電陶瓷

壓電陶瓷是指把氧化物混合（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）高溫?zé)Y(jié)、固相反應(yīng)后而成的多晶體，并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。其中，鋯鈦酸鉛陶瓷簡稱PZT陶瓷，是一種二元固溶體，它呈現(xiàn)出 ABO3 型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是一種應(yīng)用極為廣泛的壓電材料。                 

二、什么又是壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)在沿一定方向受外力作用而變形時(shí)﹐內(nèi)部產(chǎn)生極化的同時(shí)﹐在晶體的兩個(gè)相對的表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷，此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)是指晶體因機(jī)械應(yīng)力的作用而使其介質(zhì)化﹐并使其表面荷電的效應(yīng)。反之﹐當(dāng)在晶體外部施加電場時(shí)，受電場影響的晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變﹐稱為逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)              逆壓電效應(yīng)

三、為什么能實(shí)現(xiàn)“壓電"

壓電陶瓷要有兩個(gè)條件：一是晶粒有鐵電性；二是經(jīng)過強(qiáng)直流電場極化處理。所有的鐵電單晶都具有壓電效應(yīng)，但是對于鐵電陶瓷（陶瓷是多晶體）則需要經(jīng)過高壓直流極化處理。這是因?yàn)樘沾蓛?nèi)部的各晶粒雖然存在自發(fā)極化，具有鐵電性，但是其自發(fā)極化電疇的取向是隨機(jī)的，宏觀上并不具有極化強(qiáng)度。在高壓直流電場作用下電疇沿電場方向定向排列，而且在電場去除后，這種定向狀態(tài)大部分能夠被保留下來，所以陶瓷呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷人工極化過程

四、壓電陶瓷材料的分類

目前，壓電陶瓷體系主要包括鎢青銅結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)三大類壓電陶瓷材料。

（1）鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷

鎢青銅結(jié)構(gòu)是僅次于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的第二大類鐵電體。該晶體也是由氧八面體以共頂點(diǎn)的形式聯(lián)接而成的。氧八面體以共頂點(diǎn)的形式沿四重軸形成堆垛，各堆垛再以共頂點(diǎn)的形式聯(lián)接起來。目前被廣泛研究體系要有（SrxBa1-x）Nb2O6、(AxSr1-x)NaNb5O15 （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba2AgNb5O15等。

特點(diǎn)：具有自發(fā)極化強(qiáng)度大、居里溫度較高（300℃左右）、介電損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)溫度較高，難于制備，而且溫度穩(wěn)定性較差。

鎢青銅結(jié)構(gòu)晶胞在（001）面的投影

（2）鉍層狀結(jié)構(gòu)陶瓷

鉍層狀結(jié)構(gòu)陶瓷是一種含Bi的有氧八面體的層狀結(jié)構(gòu)化合物鐵電體。目前研究較多主要包括：Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15，SrBi2Nb2O9，及其改性的化合物等。

特點(diǎn)：電學(xué)性能各向異性明顯，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，居里溫度高，相對介電常數(shù)低，電阻率高，介電擊穿強(qiáng)度高，諧振頻率的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好。但是，此類陶瓷的缺點(diǎn)也很明矯頑場比較高，不容易極化，壓電活性較低。

鉍層陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖

（3）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷

目前研究泛的晶體結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)的化學(xué)式可寫為ABO3型，其中A為一價(jià)或二價(jià)金屬離子，而B為四價(jià)或五價(jià)金屬。半徑較大的A正離子，半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角，體心和面心。被廣泛應(yīng)用研究主要有鈦酸鋇，鈦酸鉛，錯(cuò)鈦酸鉛和 KxNa1-xNbO3等。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖

五、壓電陶瓷的制備工藝

壓電陶瓷制備過程主要包括陶瓷原料粉體的合成、成型、燒結(jié)、被電極和極化等幾個(gè)主要過程。在這些過程中，伴隨著一系列的物理和化學(xué)變化。壓電陶瓷的性能與材料的組分和制備工藝有直接的關(guān)系，所以一整套穩(wěn)定合理的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)異材料性能的重要保證。 

 表1 各制備工藝簡介

六、壓電陶瓷材料的應(yīng)用

由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應(yīng)，其在壓電傳感器、驅(qū)動(dòng)器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業(yè)機(jī)械、醫(yī)療、汽車等眾多領(lǐng)域。壓電陶瓷具有性能高、成本低、易于加工制備等特點(diǎn)，是目前壓電驅(qū)動(dòng)器最主要的驅(qū)動(dòng)材料。

壓電材料典型應(yīng)用

總結(jié)

壓電效應(yīng)技術(shù)以其*的優(yōu)勢在能源需求不斷增長的今天﹐得到了日益廣泛的應(yīng)用。其中壓電陶瓷是一種重要的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、生物等高技術(shù)領(lǐng)域。隨著新興領(lǐng)域的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)新的發(fā)展需求，未來對壓電陶瓷的性能會(huì)有更高的要求。如：高居里溫度、高機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)及環(huán)保、無鉛、復(fù)合、納米壓電陶瓷必將成為今后的研究重點(diǎn)。