压电陶瓷基本知识

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1、压电陶瓷基本知识压电陶瓷的基本知识发展历史压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的主要性能参数压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的应用市场发展前景与方向压电陶瓷是什么？压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。各种规格的压电陶瓷片晶粒的晶格取向示意图整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。发展历史1880居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。发展历史1942-1949发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电常数和铁电性

2、、压电性。后续解决了极化问题。50年代美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用研究。发展历史1954美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅(PZT)具有非常强和稳定的压电性，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。迄今压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。后来为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未来研究和应用的方向。压电陶瓷的基本概念三个重要概念1、自发极化120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了

3、一个位移，结果导致正负电荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转变温度称为居里温度或居里点（Tc）。压电陶瓷的基本概念三个重要概念铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域，那些自发极化方向相同的区域称为电畴（黑色粗线为畴壁）。对于自发极化而言，从宏观统计来看，晶体中存在着各个方向的自发极化，它们相互抵消，宏观上对外不呈现极性。压电陶瓷基本概念三个重要概念2、人工极化人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。压电陶瓷

4、的基本概念三个重要概念3、铁电陶瓷某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷.Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的原理：压电效应压电效应是指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。压电陶瓷的基本概念压电效应的本质－－－－－－＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向＋＋＋＋＋＋Ｅ电场方向＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方

5、向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋逆压电效应示意图正压电效应本质：机械作用引起介质极化。逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。压电陶瓷的基本概念气体喷嘴高压引线压电振子磷铜片压电振子外壳叩击机构正压电效应压电陶瓷点火示意图压电陶瓷的基本概念节点支承边缘支承中心支承逆压电效应压电蜂鸣器工作示意图压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚

6、电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷压电陶瓷的基本概念并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应。将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。石英晶

7、体和压电陶瓷的比较石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时，其受力后产生

8、的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。压电陶瓷的主要性能参数压电常数d介电