壓電陶瓷:将機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-中文百科頻道

基本釋義

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料。與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區别是：構成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。由于陶瓷是晶粒随機取向的多晶聚集體，因此其中各個鐵電晶粒的自發極化矢量也是混亂取向的。為了使陶瓷能表現出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被複電極之後，将其置于強直流電場下進行極化處理，以使原來混亂取向的各自發極化矢量沿電場方向擇優取向。經過極化處理後的壓電陶瓷，在電場取消之後，會保留一定的宏觀剩餘極化強度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質。

發展曆史

1880年，居裡兄弟首先發現電氣石的壓電效應，從此開始了壓電學的曆史。

1881年，居裡兄弟實驗驗證了逆壓電效應，給出石英相同的正逆壓電常數。

1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得應用。

第一次世界大戰，居裡的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應用史篇章。

第二次世界大戰中發現了BaTiO3陶瓷，壓電材料及其應用取得劃時代的進展。

1946年美國麻省理工學院絕緣研究室發現，在钛酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場，使其自發極化沿電場方向擇優取向，除去電場後仍能保持一定的剩餘極化，使它具有壓電效應，從此誕生了壓電陶瓷。

1947年，美國Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高壓進行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性，随後，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應用研究，這種研究一直進行到50年代中期。

1955年，美國B.Jaffe等人發現了比BaTiO3壓電性更優越的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步。BaTiO3時代難于實用化的一些用途，特别是壓電陶瓷濾波器和諧振器，随着PZT的問世，而迅速地實用化，應用聲表面波（SAW）的濾波器、延遲線和振蕩器等SAW器件，在七十年代後期也取得了實化。

随着發現壓電效應以來，壓電技術的應用一直在增加，在壓電式點膠閥應用的比較廣泛。壓電式點膠閥具有精确且可控的特性，已成為點膠行業不可或缺的一部分。長期以來，壓電陶瓷閥門控制器的工作模式相對單一，傳統的點模式，線模式和單通道已不能适應工業自動化的發展。随着分配器的複雜性不斷增加，客戶提出了越來越多的定制要求。

物質組成

常用的壓電陶瓷有钛酸鋇系、锆钛酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。如果在三元系統上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外，還有一種偏铌酸鹽系壓電陶瓷，如偏铌酸鉀鈉（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶鋇（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它們不含有毒的鉛，對環境保護有利。

特性

介電性及彈性性質

壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對外電場的響應程度，通常用介電常數ε0來表示。在外電場不太大時，電介質對電場的響應可用線性關系：

表示，P為極化強度，ε0為真空介電常數，為電極化率，E為外加電場。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數要求不同。例如，壓電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數要小。

壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對外電場的響應程度，通常用介電常數ε0來表示。在外電場不太大時，電介質對電場的響應可用線性關系：

壓電陶瓷的壓電性

壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性，包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質在機械外力作用下，介質内部正負電荷中心發生相對位移而引起極化，從而導緻電介質兩端表面内出現符号相反的束縛電荷。在外力不太大的情況下，其電荷密度與外力成正比，遵循公式：

其中，δ為面電荷密度，d為壓電應變常數，T為伸縮應力。反之，當給具有壓電性的電介質加上外電場時，電介質内部正負電荷中心發生相對位移而被極化，由此位移導緻電介質發生形變，這種效應稱之為逆壓電性。當電場不是很強時形變與外電場呈線性關系，遵循公式：

dt為逆壓電應變常數，即d的轉置矩陣，E為外加電場，x為應變。壓電效應的強弱反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合程度，用機電耦合系數K表示，遵循公式:

其中u12為壓電能，u1為彈性能，u2為介電能。

壓電特性的物理機制

經過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現束縛電荷，所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當給陶瓷片施加一外界壓力F時，片的兩端會出現放電現象。相反加以拉力會出現充電現象。這種機械效應轉變成電效應的現象屬于正壓電效應。

另外，壓電陶瓷具有自發極化的性質，而自發極化可以在外電場的作用下發生轉變。因此當給具有壓電性的電介質加上外電場時會發生如圖所示的變化，壓電陶瓷會有變形。然而，壓電陶瓷之所以會有變形，是因為當加上與自發極化相同的外電場時，相當于增強了極化強度。極化強度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長。相反，如果加反向電場,則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應轉變成機械效應的現象是逆壓電效應。

其他特性

壓電陶瓷具有敏感的特性，可以将極其微弱的機械振動轉換成電信号，可用于聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，用它來制作壓電地震儀，能精确地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。

壓電陶瓷在電場作用下産生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，别小看這微小的變化，基于這個原理制做的精确控制機構－－壓電驅動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術、生物工程等領域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設備性能的關鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優越性。它頻率穩定性好，精度高及适用頻率範圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，特别是在多路通信設備中能提高抗幹擾性，使以往的電磁設備無法望其項背而面臨着被替代的命運。

原理

先來看一種新型自行車減震控制器，一般的減振器難以達到平穩的效果，而這種ACX減震控制器，通過使用壓電材料，首次提供了連續可變的減震功能。一個傳感器以每秒50次的速率監測沖擊活塞的運動，如果活塞快速動作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速沖擊，這時需要啟動最大的減震功能；如果活塞運動較慢，則表示路面平坦，隻需動用較弱的減震功能。綜上所訴：壓電陶瓷就是矢量轉換材料力--->；電電--->；力1次力電轉化，典型應用：壓電點火，稱量傳感1次電力轉換：制動器，執行器電-->；力--->；形變--->；振動----聲波-->；電聲-->；超聲等；形變--->；位移-->；檢測；電->；力-->；電，壓電變壓器等等~可以說，壓電陶瓷雖然是新材料，卻頗具平民性。它用于高科技，但更多地是在生活中為人們服務，創造美好的生活。壓電陶瓷的主要原料還包括鉛等有毒物質。下一階段，無鉛壓電陶瓷和低溫壓電陶瓷将是發展的方向。

制造工藝

工藝流程圖如下：配料--混合磨細--預燒--二次磨細--造粒--成型--排塑--燒結成瓷--外形加工--被電極--高壓極化--老化測試。

一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然後按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。

二、混合磨細：目的是将各種原料混勻磨細，為預燒進行完全的固相反應準備條件.一般采取幹磨或濕磨的方法。小批量可采取幹磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。

三、預燒：目的是在高溫下，各原料進行固相反應，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結條件及最終産品的性能。

四、二次細磨：目的是将預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細，為成瓷均勻性能一緻打好基礎。

五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。

六、成型：目的是将制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。

七、排塑：目的是将制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結成瓷：将毛坯在高溫下密封燒結成瓷。此環節相當重要。

九、外形加工：将燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被電極：在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化：使陶瓷内部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。

十二、老化測試：陶瓷性能穩定後檢測各項指标，看是否達到了預期的性能要求。

壓電陶瓷的制造特點是在直流電場下對鐵電陶瓷進行極化處理，使之具有壓電效應。一般極化電場為3～5kV/mm，溫度100～150°C，時間5～20min。這三者是影響極化效果的主要因素。性能較好的壓電陶瓷，如锆钛酸鉛系陶瓷，其機電偶合系數可高達0.313～0.694。

應用

主要用途

1、聲音轉換器聲音轉換器是最常見的應用之一。像拾音器、傳聲器、耳機、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等都可以用壓電陶瓷做聲音轉換器。如兒童玩具上的蜂鳴器就是電流通過壓電陶瓷的逆壓電效應産生振動，而發出人耳可以聽得到的聲音。壓電陶瓷通過電子線路的控制，可産生不同頻率的振動，從而發出各種不同的聲音。例如電子音樂賀卡，就是通過逆壓電效應把交流音頻電信号轉換為聲音信号。

2、壓電引爆器自從第一次世界大戰中英軍發明了坦克，并首次在法國索姆河的戰鬥中使用而重創了德軍後，坦克在多次戰鬥中大顯身手。然而到了20世紀六七十年代，由于反坦克武器的發明，坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發射出的穿甲彈接觸坦克，就會馬上爆炸，把坦克炸得粉碎。這是因為彈頭上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時的強大機械力轉變為瞬間高電壓，爆發火花而引爆炸藥。

3、壓電打火機煤氣竈上用的一種新式電子打火機，就是利用壓電陶瓷制成的。隻要用手指壓一下打火按鈕，打火機上的壓電陶瓷就能産生高電壓，形成電火花而點燃煤氣，可以長久使用。所以壓電打火機不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種钛鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機可使用100萬次以上。

4、防核護目鏡核試驗員帶上用透明壓電陶瓷做成的護目鏡後，當核爆炸産生的光輻射達到危險程度時，護目鏡裡的壓電陶瓷就把它轉變成瞬時高壓電，在1/1000s裡，能把光強度減弱到隻有1/10000，當危險光消失後，又能恢複到原來的狀态。這種護目鏡結構簡單，隻有幾十克重，安裝在防核護目頭盔上攜帶十分方便。

5、超聲波換能器适用于用于超聲波焊接設備以及超聲波清洗設備，主要采用大功率發射型壓電陶瓷制作，超聲波換能器是一種能把高頻電能轉化為機械能的裝置，超聲波換能器作為能量轉換器件，它的功能是将輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗很少的一部分功率。

6、聲納在海戰中，最難對付的是潛艇，它能長期在海下潛航，神不知鬼不覺地偷襲港口、艦艇，使敵方大傷腦筋。如何尋找敵潛艇？靠眼睛不行，用雷達也不行，因為電磁波在海水裡會急劇衰減，不能有效地傳遞信号，探測潛艇靠的是聲納------水下耳朵。壓電陶瓷就是制造聲納的材料，它發出超聲波，遇到潛艇便反射回來，被接收後經過處理，就可測出敵潛艇的方位、距離等。