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、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﹐內(nèi)部產(chǎn)生極化的同時﹐在晶體的兩個相對的表面上出現(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，受電場影響的晶體會產(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為一價或二價金屬離子，而B為四價或五價金屬,。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。
工藝名稱 | 目的 |
配料 | 進(jìn)行料前處理,，除雜去潮,，然后按配方比例稱量各種原材料 |
混合磨細(xì) | 一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨,，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法,，效率較高。 目的是將各種原料混勻磨細(xì),，為預(yù)燒進(jìn)行的固相反應(yīng)準(zhǔn)條件,。 |
預(yù)燒 | 在高溫下，各原料進(jìn)行固相反應(yīng),，合成壓電陶瓷.此道工序很重要,。會直接影響燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。 |
二次磨細(xì) | 將預(yù)燒過的壓電陶瓷粉末再細(xì)振混勻磨細(xì),。為成瓷均勻性能一致打好基礎(chǔ),。 |
造粒 | 使粘合劑更均勻，使成型樣品的密度更均勻,，排出顆粒間的空氣,，有利于成型和致密。 |
成型 | 指在較高溫度下成型坯體發(fā)生體積收縮,、密度提高和強(qiáng)度增加的過程,。 |
排塑 | 防止因高溫下的分解、揮發(fā)而導(dǎo)致樣品胚體在燒結(jié)過程中變形,、開裂,。 |
燒結(jié)成瓷 | 將坯體加熱到足夠高的溫度但低于熔點(diǎn)，使陶瓷坯體體積收縮,、密度提高和強(qiáng)度增大的過程,。 |
外形加工 | 將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 |
被電極 | 在要求的陶瓷表面設(shè)置上導(dǎo)電電極,。一般方法有銀層燒滲,、化學(xué)沉積和真空鍍膜。 |
高壓極化 | 使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列,，從而使陶瓷具有壓電性能,。 |
老化測試 | 陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項(xiàng)指標(biāo)，看是否達(dá)到了預(yù)期的性能要求,。 |
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)動器最主要的驅(qū)動材料。
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)社會新的發(fā)展需求，未來對壓電陶瓷的性能會有更高的要求,。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)。
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