压电陶瓷材料及应用..-共22页
压电陶瓷材料及应用
一、概述
1.1电介质
电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。
我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。
近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有：
（1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。
（2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。
（3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。（材料一）1.2压电材料的分类
具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年Jacques Curie 和Pierre Curie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及日常生活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭--压电陶瓷扬声器；医院里检查心脏、肝部的超声诊断仪上的探头--压电超声换能器；电子仪器内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材料等（如图1.1所示）。
图1.1 压电材料的分类
压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂等。
压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有
电矩——自发极化（Ps）存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值——剩余极化（Pr），如图1.2所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度（定义）。利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一定的净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见，陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都应是铁电陶瓷。
图1.2 铁电材料的电滞回线
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率
换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切割限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准品率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
压电薄膜是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，压电薄膜元件通常由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。
压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）等，具有材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数（g）等优点，为世人瞩目且发展十分迅速，现在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
复合压电材料，是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如它制成的水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。（材料一）
1.3发展概况
1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO3）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTiO3压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO3陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO3存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
六十年代初，Smolensky等人对复合钙钛矿型化合物进行了系统的研究，提出可以用不同原子价的元素组合取代钙钛矿结构中的A-位和B-位离子，大大增加了钙钛矿型化合物的种类。如
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)、Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN)等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低，工艺重复性好，对压电材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下电气公司的H.Ouchi发表了把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT 陶瓷中制成的三元系压电陶瓷（简称PCM），发现它具有良好的压电性能。1969年，我国压电与声光技术研究所研制成功把Pb(Mn1/3Sb2/3)O3作为第三组分加到PZT中的三元系压电陶瓷，性能比PZT和PCM优越。经过10多年的深入研究和广泛应用，这种材料成为我国自成体系的、具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名PMS。PMS压电陶瓷和用它作换能器的压电晶体速率陀螺均先后获国家科委发明奖。
80年代，为了既能满足人类日益增长的物质文化生活需要，又能减少对环境的污染，保护人类赖以生存的生态环境，简化材料制备工艺，开始了非铅基铁电压电陶瓷的研究工作。非铅基铁电压电陶瓷主要是以铌酸盐和钛酸盐为主的化合物。虽然这类材料的目前压电性能还不如锆钛酸铅系，但是非铅基铁电压电陶瓷的研究开发已成为压电陶瓷材料领域的研究前沿之一。
二、压电陶瓷的压电机理与性能参数
压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。
2.1极化的微观机理
在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。
（1）电子位移极化——在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电子极化），其
。
极化率称为电子位移极化率
e
电子位移极化结论是：对于同族元素：e α由上到下增大，因：外层电子数增加，原子半径R 增大；对于同周期元素：不定，因为外层电子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同；离子半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，304/R e πεα值大，对极化贡献大；电子位移极化率与温度无关，因为，R 与T 无关；极化率为快极化：10-15 –10-16s ，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：
（2）离子位移极化——离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。极化率用i α表示。离子位移极化结论是：离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级，均在04πε（10-10）3≈10-40法·米2数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12~10-13秒。
（3）取向极化——当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化，用d α表示。
KT d 32
0μα= 0μ是极性分子固有偶极矩~米库?-3010 (2)
根据电介质分子参与极化运动的种类，把极化分成三类：电子位移极化e α；离子位移极化i α；偶极矩转向极化d α。
()E
E N E N E p i i d i e ?+==-=++=001:,1εαεαεεαααα或电介质的总极化为： (3) 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系
m ，n=1，2，3 (4)
式中为极化率，或用电位移写成：(5)
图PPt9微观机理图
2.2压电性、铁电性与反铁电性
2.2.1压电效应
压电效应是1880年由JacquesCurie和PierreCurie发现的。他们在研究热电性与晶体对称性的关系时，发现在一些无对称中心晶体的特定方向上施加压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比；同年，他们证实了这类晶体具有可逆的性质，即晶体的形状会受外加电场的作用发生微小的变化（如图2.1所示）。
图2.2 压电效应示意图
（a）正压电效应；（b）逆压电效应(ⅰ收缩ⅱ膨胀)。
（1）正压电效应，压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。这种没有电场作用，由形变产生极化的现象称为正压电效应。
对于各向异性晶体，对晶体施加应力；（相应的应变）时，
晶体将在X，Y，Z三个方向出现与成正比的极化强度，即：
(6)
式中，分别称为压电应力常数与压电应变常数。
(2)逆压电效应
当给晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系
(7)
或(8)
式中和分别为d和e的转量矩。
在晶体中，如果单位晶胞中的正、负电荷中心不相重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩时，由于晶体构造的周期性和重复性，单位晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态下。由于这种极化状态是在外场为零时自发产生的，因而称之为自发极化。铁电性是指材料不仅在外电场不存在时，在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的性质。
压电性对晶体对称性的要求是没有对称中心。自发极化对晶体对称性的要求是具有特殊的极性方向。具有特殊极性方向的晶体必然没有对称中心，所以具有铁电性的晶体必然具有压电性。电介质、压电体、热电体、铁电体的关系如图2.2所示。
图2.3电介质、压电体、热电体、铁电体的关系示意图
2.1.1压电体
当晶体上特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分别出现正、负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例。压电体的必要条件：晶体不具有对称中心。
图p p t24
2.1.2铁电体
在具有压电性的晶体中，有若干种晶体不仅在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场而反向，并呈现电滞回线，这类晶体称之为铁电体（ferroelectrics）.
通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化的，而是有类似于许多孪晶的区域，这些区域称为铁电畴（domain）。在一个铁电畴内，自发极化的方向是一致的。两畴之间的界壁称为畴壁（domain wall）。一块铁电晶体往往是多畴的，但有时也会出现单畴晶体，强的外电场可使一个多畴晶体变成单畴晶体或使单畴晶体的自发极化反向，这样的动力学过程就称为畴的反转，畴反转的过程包括了畴壁运动和新畴成核的过程。
图2.5 铁电体的电畴结构和特性
在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）。
铁电体的重要特征之一是具有电滞回线（hysteresis loop），典型的铁电体的P-E（极化强度-外加电场）回线如图1.2所示。
常见的铁电体有：酒石酸钾钠（NaKC
4H
4
O
6
·4H
2
O），磷酸二氢钾
（KH
2PO
4
），钛酸钡（BaTiO
3
）。
电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系，且自发极化可随外电场方向反向而反向。回线所包围的面积就是极化强度反转两次所需要的能量。
铁电体还有两个重要特征，具有高的介电常数，几百~几万；介电常数与电场强度大小有关。
除了铁电体外，还有一类反铁电体（anti-ferroelectrics）。反铁电体的结构可以看成是两个套子晶格交叠而成，而这两个子晶格的电矩方向是反向平行的，如图2.6武1-3。因此反铁电体与铁电体不同，从宏观上看它没有自发极化，整个晶体的总电矩为零。在强直流电场的作用下，反铁电体的P-E关系变化呈现双电滞回线，如图2.7所示1-4。
临界特性是铁电体的重要特性。对位移型相变的材料，自发极化或晶格自发极化强度随温度升高而减小，并在某一临界温度时变为零，这个转变温度就是居里温度T c。当温度高于T c时，晶体发生结构相变，自发极化消失并呈现出对称相，称为顺电相。即：当T
当铁电体温度高于居里温度时，铁电体的介电常数ε随温度T 变化关系符合居里—外斯（Curie-Weiss ）定律：
T T C -=ε(9) 式中，T 0为居里-外斯特征温度，C 为居里常数。
2.1.3 热释电体
热释电晶体只要温度变化，由于其自发极化强度随温度变化的缘故，会在特定方向产生表面电荷，这就是最先由Brewster 命名的热释电现象。当晶体具有自发极化，即晶体结构的某些方向正负电荷重心不重合或者不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一极化轴时，才有可能由于热膨胀引起电矩变化而导致热释电效应。有10种点群的晶体具有热释电效应，如钛酸钡，硫酸三甘酞，一水合硫酸锂，铌酸锂等。热释电体不同于铁电体；铁电体存在电滞回线；铁电体必须是热释电体、压电体。
2.2压电陶瓷的性能参数
压电陶瓷的性能参数较多，其中比较常用的有介电常数、介质损耗、机电耦合系数、压电常数、居里温度、频率常数、弹性系数等。
1、介电常数r ε
介电常数是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，通常用ε表示，其单位为法拉/米。
有时也使用相对介电常数r ε，它与介电常数的关系为：
εεε=r （10） 式中0ε为真空介电常数，其值为8.85?10-12法拉/米。相对介电常数r ε是一个没有量纲的物理量。
2、介质损耗tan δ
任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变
电场中长期工作时，都有发热的现象。这种现象说明介质内部发生了某种能量的耗散，这就是介质损耗。介质损耗是表征介质品质的一个重要指标。
在交变电场下，压电陶瓷所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），另一种为无功部分（异相）。前者由电导过程引起，后者由介质驰豫过程引起。介质损耗即为上述的异相分量与同相分量的比值，通常用tan δ表示。δ称为介质损耗角，物理含义是在交变电场下电介质的电位移D 与电场强度E 的相位差。
介质损耗的倒数称为电学品质因数Qe 。
一般说来，介质损耗越大，材料性能就越差。所以介质损耗是衡量材料性能、选择材料、制作器件的重要依据之一。压电陶瓷的介电损耗大致分为三种：漏电流损耗、介质不均匀所引起的损耗和电极化引起的损耗。其主要的介电损耗是电极化引起的损耗。
3、机械品质因数Qm
机械品质因数Qm 表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。产生机械损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量。机械品质因数Qm 与机械损耗成反比。机械品质因数越高，能量损耗就越小。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm 值有不同的要求，多数的陶瓷滤波器要求压电陶瓷材料的Qm 值要高，而音响器件及接收型换能器则要求Qm 值要低。
4、机电耦合系数K
机电耦合系数K 就是指压电材料中与压电效应相联系的相互作用能密度与弹性密度和节电能密度的几何平均值之比。它是综合反映一定性能的参数，机电耦合系数反映压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦合效应。
能
电输入的总机械能机械转换获得的电)()(2=k （11） 由于压电陶瓷元件的机械能与元件的形状和振动模式有关，因此对
不同的振动模式有不同的耦合系数，常用以下五个基本耦合系数：
①平面机电耦合系数k p （反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数）。
②横向机电耦合系数k 31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
③纵向机电耦合系数k 33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
④厚度伸缩机电耦合系数k t （反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数）。
⑤厚度切变机电耦合系数k 15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数）。
5、压电常数
压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压”与“电”之间的耦合效应，是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（或应变）和电场（或电位移）之间的联系，直接反映了材料及电性能的耦合关系和压电效应的强弱。压电常数不仅与机械边界条件有关，而且与电学边界条件有关。压电常数主要有压电应变常数d 、压电电压常数g 、压电应力常数e 和压电刚度常数h 等四组，其中压电应变常数d 、压电电压常数g 比较常用，且存在如下关系：εd
g = （12）
式中，ε是介电常数。
6、居里温度Tc
压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度Tc ，当温度高于Tc 时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度Tc 称为居里温度。
7、频率常数N
对于某一陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子的振动方向的长度之乘积是一个常数，这个常数就是频率常数。如果外加电场垂直于振
动方向，此谐振频率为串联谐振频率；如果外加电场平行于振动方向，此谐振频率为并联谐振频率。
8、弹性系数
压电陶瓷是一个弹性体，它服从胡克定律：在弹性限度范围内，应力与应变成正比。压电陶瓷具有压电效应，因此在不同的电学条件下，就有不同的弹性柔顺系数和弹性刚度系数。
2.3压电陶瓷的主要结构
压电陶瓷数目众多，类型也各不相同，但从晶体结构看，压电陶瓷主要有三种类型，它们是钙钛矿结构、钨青铜结构和含铋层状结构。
1、钙钛矿结构
大多数有用的压电陶瓷都是钙钛矿结构，其通式为ABO3，AB的价态可为A2+B4+或A1+B5+。图2.8是ABO3钙钛矿结构示意图。简单立方钙钛矿型结构（m3m点群）由一系列共有顶角的八面体（如图2.9所示）排列而成，氧八面体的中心是高价小半径的B位离子，如Ti、Sn、Zr、Nb、Ta、W等，而在氧八面体内，则为大半径、低电价、配位数为12的A位离子，如Na、K、Rb、Ca、Sr、Ba、Pb等。在构成钙钛矿化合物时，离子半径应满足下列条件：
R A+ R O=t2(R B+R O) （13）式中，R A—A离子的半径；R B—B离子的半径；R O—氧离子的半径；t—容限因子。当t=1时，为理想钙钛矿结构。一般情况下，t值在0.86～1.03之间都可构成钙钛矿结构。
图2.8 钙钛矿型结构
图2.9 ABO3型氧八面体结构
（2、3、4分别代表二重对称轴、三重对称轴、四重对称轴）
2.钨青铜结构
氧八面体铁电体中有一部分是以钨青铜结构存在的，由于此类结构类似四角钨青铜KxWO3和NaxWO3而得名。这一结构的基本特征是一个四方晶胞包含10个BO6八面体，例如PbNb2O6、NaSr2Nb5O15等。与钙钛
矿结构相似，这类铁电体也具有氧八面体的网络结构，但比简单钙钛矿结构复杂。氧八面体以共顶点的形式沿其四重轴叠置成堆垛，各堆垛再以共点的形式连接起来。与钙钛矿结构不同的是，这些堆垛在垂直于四重轴的平面内取向不一致，不同堆垛的氧八面体之间形成不同的空隙，如图2.10所示。
图2.10 钨青铜结构在（001）面上的投影图
3. 含铋层状结构
含铋层状结构的化合物也同样含有氧八面体，其晶体结构比较复杂，但一般是由二维的钙钛矿层和Bi2O22+层有规则地相互交错排列而成的，如图2.11所示的Bi4Ti3O12的晶体结构。含铋层状结构的组成可
B x O3x+1）2－表示，其中，x是钙钛矿层厚度方向的元胞用Bi2O22+（A x
－1
数，其值可为1～5，A是较大的正离子，B是较小的正离子。含铋层状结构化合物中有一部分具有铁电性，其特点是居里温度高，自发极化也比较高，压电性能和介电性能各向异性大等。
图2.11 Bi4Ti3O12晶体结构示意图
三、压电陶瓷的应用及展望
3.1 压电陶瓷的应用
随着高新技术的不断发展，压电陶瓷以其独特的性能，在商业、军事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。可以毫不夸张地说，压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落，如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器；电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪；家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器；收录机要用压电微音器、
压电喇叭；照相机和录像机要用压电马达等。
表1压电陶瓷的应用
应用领域举例
电源压电变压器雷达，电视显象管，阴极射线管，盖克计数管，激光管和电
子复印机等高压电源和压电点火装置
信号源标准信号源震荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频
率标准信号源
电声换能器拾音器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声
器件
信号转换
超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于
20kHz的超声器件
超声换能器探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，
超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件
发射与接受
水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和
传声器等
滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤
波器；雷达，自控和计算机系统所用带通滤波器，脉冲滤波器
等
信号处理放大器声表面波信号放大器以及震荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线
加速度计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作
压力计状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流
速计，流量计和液面计等
传感与计测角加速度计测量物体角加速度及控制飞行器航向的压电陀螺等红外探测器监视领空、检测大气污染浓度、非接触式测温以及热成像、
热电探测、跟踪器等
位移发生器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角
度、光程长的控制器
调制用于电光和声光调制的光阀、光闸、光
变频器和光偏转器、声开关等
存储显示存储光信息存储器，光记忆器
显示铁电显示器，声光显示器，组页器等
其他非线性元件压电继电器等
压电陶瓷按其应用的工作状态可分为强激励和弱激励两种类型。前者主要是利用压电陶瓷的能量转换特点把电能转换为机械能，或者反之，工作在很高的激励状态下；后者则主要是利用其信息检测及处理方面的性质，工作在很低的激励状态。表1列出了压电陶瓷的主要应用领域。以下就压电陶瓷的一些主要应用领域作简要的介绍。
1、在水声技术领域的应用
水声换能器是压电陶瓷的一项重要应用，它主要是利用压电陶瓷的正、逆压电效应以发射声波或接受声波来完成水下观察、通讯和探测工作，包括海洋地质调查、海底地貌探测、编制海图、航道疏通及港务工程、海底电缆及管道敷设工程、导航、海事救捞工程、指导海业生产以及海底和水中目标物的探测与识别等方面。
压电陶瓷材料用于水声技术有发射、接受和兼具发射接受功能三个方面。用于发射换能器的压电陶瓷材料要求具有高的驱动特性，即大功率下损耗小，承受功率密度大，各项参数的稳定性好；用于接受换能器的压电陶瓷要求材料具有高灵敏度和平坦的频率响应，即材料应有高的机电耦合系数，大的介电常数以及低的老化特性；而用于兼有发射和接受的换能器则要求材料兼顾上述两者性能。
2、在超声技术领域的应用
压电陶瓷在超声技术中的应用十分广泛。利用压电陶瓷的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力应用（如超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声打孔、超声粉碎、超声分散等装置上的机电换能器等方面）的压电陶瓷应有高机械强度、高矫顽场、大机电耦合系数以及良好的时间稳定性和温度稳定性；利用压电陶瓷的弯曲振动、产生位移和形变等（如微位移控制器、小型振动电动机、光束偏转器、压电继电器、流量自控阀、录象机磁头自动扫描跟踪器等）的压电陶瓷应具有大的压电应变常数和矫顽场；对于采用一个压电换能器兼具发射和接收超声波两种功能的应用（如车辆计数器、电视机遥控、超声波测距计、液面计、超声波防盗、声学探测机以及医疗超声器械等）的压电陶瓷的要求则根据需要而定。
压电陶瓷作为超声换能器具有结构简单、使用方便、灵敏度高、选择性好、容易与电源匹配、能耐振动冲击、稳定性良好以及小型轻便等优点。
3、在高电压发生装置上的应用
高电压发生器是压电陶瓷最早开拓的应用之一，它利用压电陶瓷的
正压电效应将机械能转换成电能，从而产生很高的电压。压电陶瓷在高电压发生装置上的应用主要有压电点火器、引燃引爆、压电开关和小型电源等。用于这些方面的压电陶瓷应有较大的压电电压常数（g33）、较大的纵向机电耦合系数（k33）、较大的介电常数、较高的机械强度和较好的稳定性等。另一方面是作用于小功率仪表上产生高电压小电流的压电变压器。这些压电陶瓷应具有较高机电耦合系数（特别是横向机电耦合系数k31和纵向机电耦合系数k33）、热稳定性好、机械品质因数适当、频率的温度稳定性和时间稳定性良好。
4、在电声设备上的应用
压电陶瓷作为电声器件应用较多。压电陶瓷以其优良的机电性能、高的化学稳定性、并且能加工成各种尺寸和形状电声器件以及价格低廉而取代了单晶点声器件。它们是利用压电陶瓷的正、逆压电效应将电能转换成声能或将声能转换成电能的器件，如拾音器、扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器、电子校表仪等。这些压电陶瓷既要求有高灵敏度，又要有平坦的频率响应。
5、在滤波器上的应用
滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率。压电陶瓷作为滤波器时，首先把电能转变成弹性机械能，然后又转变成电能。压电陶瓷作为滤波器具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高等优点，适于电路集成化的要求，尤其是陶瓷表面波器件。滤波器种类繁多，但对压电陶瓷有一个共同的要求是频率随温度和时间的稳定性要非常好、机械品质因数大、介电常数和机电耦合系数调节范围宽、材料致密、可加工成薄片能在高频下使用；对声表面波器件还要求材料具有晶粒小、气孔少、有良好的抛光表面等特点。
6、在其它方面的应用
压电陶瓷还可制成许多测量和感知动态或准静态的各种力加速度、冲击和振动等物理量及其变化的传感器。目前已用于各种检测仪表和控制系统中，如利用压电效应产生直线振动质量的线动量代替角动量制成压电陀螺，它具有体积小、重量轻、可靠性高、固体组件不需要维修、
压电陶瓷材料及应用
压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
压电陶瓷电特性测试与分析
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下： GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
压电陶瓷及其应用
压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
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。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：
压电陶瓷应用
压电陶瓷的市场用途及其发展 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。 所谓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。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。塑料甚至金属进行加工。 压电陶瓷的用途主要有以下几个： 1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。 4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。 5、超声波换能器适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
国内外压电陶瓷的新进展及新应用_李晓娟
第25卷第4期 硅 酸 盐 通 报 V o.l 25 N o .4 2006年8月 BULLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY A ugust ,2006 国内外压电陶瓷的新进展及新应用 李晓娟,李全禄,谢妙霞,郝淑娟,杨贵考,周九茹,马 晴 (陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062) 摘要:主要综述了近年来国内外压电陶瓷材料的最新进展和最新应用状况,以及为使压电陶瓷材料更充分应用于 生产实践中所采取的一系列改性措施,其中包括锆钛酸铅(PZT )压电陶瓷、不含铅的铋层压电陶瓷、钛酸铋钠 (BNT )压电陶瓷及钛酸钡(BaT i O 3)压电陶瓷系统。最后,还简要介绍了压电陶瓷材料未来的发展趋势。 关键词:压电陶瓷材料;新进展;新应用;发展趋势 N e w H eadways and N e w App li cati ons of P iezocera m ics atH o m e and Abroad LI X iao -Juan ,LI Quan -Lu ,X I E M iao -X i a ,HA O Shu -Juan ,YA NG Gui -kao ,ZH OU J iu -ru ,MA Q i n g (School of Phys i cs and Infor m ation Technol ogy ,ShaanxiN or m alUn i versit y ,Xi 'an 710062) Abst ract :This paper summ arizes the new headw ay and ne w applicati o n of piezoelectric cera m ic m a terials at ho m e and abroad in r ecent years ,and a series of i m prove m en ts in order t o m ake t h e m fully applied i n t h e p r oduc tion w ere pr oposed ,i n cluding the p i e zoe lectric cera m ic o f PZT w ith lead ,the l e ad -free piezoelectric cera m ic w ith bis mu t h layer str uct u r e ,t h e p iezoelectric ce ra m ic of B NT and p iezoelectric ce r a m ic Ba T i O 3.I n addition ,ne w deve l o p m ent trends o f p iezoelectric cera m ic we r e in troduced . K ey w ords :piezoe lectric cera m ic m a teria ls ;ne w headw ay ;ne w applica tion ;deve lopm ent tr end 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10374064);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(03J K061).作者简介:李晓娟(1978-),女,硕士.从事压电陶瓷材料及器件研究. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性 外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等[1～3]。随着现代电子 信息技术的飞速发展,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。目前,在性能改进方面主要采用2种方法[4～6]:一种是掺杂改性,即掺杂某种改性离子;另一种是改进制备工艺。本文将对国内外压电陶材料的最新研究进展及最新应用情况做一扼要的综述,其中包括含铅压电陶瓷与无铅压电陶瓷系统;并对压电陶瓷材料未来的发展动态进行了展望,目的在于使相关科研与教学人员能注意到该领域新的发展状况及有待解决的问题。 1 压电陶瓷的基本物理性质 1.1 介电性及弹性性质 压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用介电常数ε来表示。在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系P =ε0χE [7]表示,P 为极化强度,ε0为真空介电常数,χ 为电极化率,E 为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声器等音频
锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验
锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验 引言： 压电陶瓷 我们将具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷，而压电效应分为正压电效应和负压电效应。 ★正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这种现象称为正压电效应，如下图所示； ★逆压电效应：当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这种现象称为逆压电效应。 注：实线代表形变前的情况； 虚线代表形变后的情况。 自从十九世纪五十年代中期，由于钙钛矿的 PZT 陶瓷具有比 BaTiO3更为优良的压电和介电性能，因而得到广泛的研究和应用。图 1-1 为 Pb(Zr x Ti 1-x )O 3体系的低温相图[1]。在居里温度以上时，立方结构的顺电相为稳定相。在居里温度以下，材料为铁电相，对于富 Ti 组分（0≤x ≤0.52）为四方相；而低 Ti 组分（0.52≤x ≤0.94）为三方相。两种晶相被一条 x=0.52 的相界线分开。在三方相区中有两种结构的三方相：高温三方相和低温三方相，这两种三方相的区别在于前者为简单三方晶胞，后者为复合三方晶胞。在靠近 PbZrO3组分（0.94≤x ≤1）的地方为反铁电区，反铁电相分别为低温斜方相和高温四方相。 正压电效应示意图
如图 1-2 所示[10]，对于四方相，自发极化方向沿着六个<100>方向中的一个方向进行，而三方相的自发极化方向沿着八个<111>方向中的一个方向进行。由于自发极化方向的不同，在不同的晶体结构中产生不同种类的电畴，在四方相中产生 180o 和 90o电畴，三方相中产生 180o、109o、71o电畴。 一、实验目的： 本实验主要是通过对具有压电性能的陶瓷材料PZT（锆钛酸铅）的制备来掌握特种陶瓷材料的整个工艺流程，并掌握一定的性能测试手段。 二、实验仪器： 电子天平、粉末压片机、箱式电阻炉、成型模具、温度控制仪、准静态d33测量仪、极化装置、阻抗分析仪等。 三、实验原理： 实验室制备PZT压电陶瓷的工艺路线为： 配方设计→PZT粉体混合研磨制备→预烧→成型→排塑→烧结→上电极→极化→性能
压电陶瓷的特性及应用举例
压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。
Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。
Δ响应时间快 压电陶瓷材料 摘要： 本文包括压电陶瓷压电陶瓷的产生发展，机理，生产及其应用，从各方面阐述了压电陶瓷材料的种种物理性能，以及压电陶瓷为我们生活带来的便利，对科技发展带来的种种贡献。 前言： 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应 ,压电陶瓷除具有压电性外 ,还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。随着现代电子信息技术的飞速发展 ,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。本文专注介绍了压电陶瓷的产生发展，机理，生产及其应用，从各方面阐述了压电陶瓷材料。 压电陶瓷发展史： 1880年，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年，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。 1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取得划时代的进展。1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。 压电陶瓷概念： 压电材料分为压电晶体和压电陶瓷。 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。笼统而言，压电陶瓷即通过外界 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ，它表示应力与所产生的电场的关系，或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示，它是 压电陶瓷材料的发展及应用 美国Sandia研究所的Haertling在1964年发现，如果在Pb(Ti,Zr)O 3 中 添加少量的Bi 2O 3 进行热压成型时,烧结得很好，这种多晶材料的铁电电滞回线呈 现明显的矩形特性。此后，兰德（Land）等人发现，这种陶瓷被研磨成薄片时透光度高，随着晶体粒度的不同显示出二种电光学效应，即粒度为2微米以上的极化了的粗晶粒陶瓷片，散射光的强度随着极化轴的角度发生变化；2微米以下的微细晶粒陶瓷片,则呈现出以极化为光轴的单轴性负光学各向异性,双折射率随偏置电压的改变而变化.这种陶瓷是一种很有价值的新型电光学材料.这一发现是铁电性透明陶瓷展的开端。 1971年美国Haertling和Land用La置换一部分Pb的 Pb 1-x La x (Zr y Ti i-y ) 1-(x/4) O 3 组成(简称PLZT)进行热压烧结成型,所得陶瓷研磨的薄片 具有电控双折射、电控可变光散射等特性,可用作关阀、电光调制器和光记忆元件,PLZT是一种很有价值的新型电子材料,是20世纪70年代铁电陶瓷的重大进展。 透明铁电压电陶瓷的问世,一方面是由于客观上性技术的发展对铁电压电陶瓷材料在电光方程面的应用提出了要求,另一方面,是由于长期以来人们对铁电压电陶瓷进行了大量的研究实践(特别是热压工艺)的结果。具体的工作在1967年左右开始,1970年5月宣布了透明铁电陶瓷试制成功,随后报道了各种应用研究,1972年改进了工艺方法,提高了厚片的透明度,1973年又发展了不用热压而用通氧烧结的方法成功地制造了较大面积的透明铁电压电陶瓷。在此期间,陆续报道的各种有关的应用或实验结构有铁电显示器、光阀、光信息存贮器、偏置应变存贮显示器件、反射式偏置应变存贮显示器件、散射式存贮显示器件、染料激光波长选择器件、全息存贮输入器件等等。各方面应用的研究正在不断发展中. 透明铁电压电陶瓷的发展,给铁电压电陶瓷开辟了新的应用领域－电光应用,过去电光器件用的是单晶铁电材料,但由于单晶材料存在一些缺点,例如尺 压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。 m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。 压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118 压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作 现阶段研究较多的压电复合材料是由压电陶瓷 (如PZT，PbTiO。)和聚合物(如PVDF，环氧树脂) 复合成的。岳鹏等c10]用化学溶解、旋涂成膜、多层 膜热压制得PZT体积分数60％、介电常数100左 右的PZT／PVDF复合材料。徐任信等[111运用热压 工艺制备了。一3型PZT／PVDF压电复合材料，加入 适量石墨后可以明显提高复合材料的极化性能。 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。 压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。 能将压力转换成电压的装置我所知道的应该就只有压电晶体了。压电晶体不同的成分有不同的转换关系。通常在购买的时候附上的说明书里会给出压电转换的经验公式或者实验数据。可以根据产品的型号、成分等信息网上搜索相关的压电转换公式 主要参数 （1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2）压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）对于一定形状、尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 （6）压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 压电转换 压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压电常数 更一般表达式：电荷密度q ，（用单位面积受力表示） 其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷 受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式： 压电陶瓷原材料的处理和选择 压电陶瓷主要工艺介绍 原材料的本质将对压电陶瓷的最终性能产生决定性的影响。压电陶瓷与传统的陶瓷最大的区别是它对原料的纯度，细度，颗粒尺寸和分布，反应活性，晶型，可利用性以及成本都必须加以全面考虑和控制。 原材料在很大程度上，可决定压电陶瓷元件性能参数的高低，对工艺的顺利进行有重要影响因此，对所用元材料的性能必须有所了解，选择原材料必须符合经济合理的原则。 压电陶瓷所用的各种原料，一般都是各种金属氧化物，有时也采用各种钛酸盐，锆酸盐，锡酸盐，铁酸盐和碳酸盐等。目前压电陶瓷生产上所用的各种原材料，具有很强的地方性，原材料的质量往往随产地和批号的不同而有很大的区别和差异。严重影响了生产质量的稳定性。因此掌握原材料质量对产品性能的影响，进而在生产中预以有效的控制，对确保产品的质量有很大的现实意义。 总的来说，压电陶瓷材料所用的原材料可以分为化工原料和矿物原料二大类。凡是经由化工厂加工处理而提供的原料称为化工原料如BaCO3. SrCO3. CaCO3. MgCO3. Pb3O4. TiO2. ZrO2. Nb2O5. La2O3等，而直接由矿山开采，只经过适当加工的原料就称为矿物原料。常用的矿物原料有粘土，长石，石英，滑石，菱镁矿，大理石，白云石等。 一般的日用瓷，普通的电工瓷和部分的无线电陶瓷如{滑石瓷等}几乎都是用矿物原料配成的，而压电和强介电容器等无线电陶瓷则几乎完全是由化工原料配制而成的。 原料的纯度，细度，{或称粒度}和活性是衡量原料质量的三个重要指标。不论制造钛酸钡，钛酸铅，还是制造二元系锆钛酸铅以及三元系铌镁酸铅等压电陶瓷元件，二氧化钛，二氧化锆，氧化铅或四氧化三铅等，都是主要原材料，一般都在10~60%范围内。 一. 原料的纯度 纯度就是原料的纯净程度，相对来说也是指原料的含杂程度。纯度越高的原料所含的杂质种类和数量越少。化工原料按纯度可分为工业纯和试剂纯二大类。而试剂纯的原料按纯度高低又可分为四级，各种化工原料的主要特点如表1所示。工业纯的原料生产量大，供应稳定，同批产品的一致性和活性都较好，价格也较便宜。因此在能够保证产品产量的前提下应该尽可能选用工业纯原料，以降低成本；但工业纯原料的纯度较低；不同批号原料的纯度波动较大。试剂纯原料的纯度虽较高但在价格方面却要比工业纯原料贵几倍，至几十倍，纯度高的原材料，固然含杂质少，但烧结温度较高，最佳烧结温度也较窄，给烧结带来一定的困难。工业纯原料的纯原料的纯度不高，但是对陶瓷产品性能危害的杂质只有一，二种，因此如果在化工厂采取特殊措施除去这些杂质，又添加某些能改善性能的微量添加剂，而不进行全面的提纯，则不仅原料的成本将进一步大幅度降低，也能更符合陶瓷生产的要求。纯度较低的一些元材料，有的杂质还可以在烧结过程中起到矿化剂或助溶剂的作用，反而使烧结温度较低，最佳温度范围较宽，在一定程度上起到有利作用。这种特定的工业纯原料有时也称为“陶瓷纯”或“电容器纯”。 原材料中含有各种各样的杂质，对压电陶瓷元件的不同型号，配方的作用和影响也各不相同。所以应区别对待，对具体情况需具体分析。对产品性能和工艺过程最敏感的原料应选择较高的纯度；与原料的化学性质相近，能形成置换式固溶体的杂质的最高含量可以略高；对那些能使晶格发生严重畸变的杂质，或者能在晶体中产生自由电子和空穴的“施主杂质”和“受主杂质”以及变价过渡元素{SiO2}的最高含量必须严格控制，有时这类杂质即使只有0.1wt%就会使物理性能严重恶化而完全失去使用阶值。如K+，Na+,等卤族元素将使铁电，压电陶瓷材料的绝缘电阻显著降低，使极化时容易击穿，损耗增大，介电常数和机电耦合系数Kp下降，其总含量控制在0.01%以下。一般来说，在制作PZT压电陶瓷元件中，二氧化钛，二氧化锆和四氧化三铅可采用工业级材料，它们的纯度均能达到98%以上。实际生产中原材料的主成分含量都是采用化学分析方法测定，杂质含量则常在已有经验基础上采用半定量的光谱分析，必要时也可进行x射线衍射分析和电子探针微区分析。 对不同原材料所含不同杂质的允许量是不同的。这主要根据下述三个因素来决定： 1 杂质的类型可分为有害与有利两种。一类是有害杂质，特别是异价离子，如硼B，碳C，磷P，硫S，AL等。由于它们对制品的绝缘，介电性能产生极大影响，有时既使配料中含量在0.1%以下，影响也很大。因此，要求象这类有害杂质的量越少越好。另一类是有利杂质，对与铅离子Pb2+同属二价或与钛离子Ti4+，锆离子Zr4+同属四价，而离子半径相近，能形成置换固溶体的杂质，如钙Ca2+,锶Sr2+,钡Ba2+,镁Mg2+,锡Sn2+,鉿Hf4+等离子。这类杂质离子在配料中可以允许含量稍高一些，一般在0.2~0.5%范围内，对制品性能没有坏的影响，对工艺反而有利。接压电陶瓷材料
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