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）
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 α。
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（NaKC4H4O6·4H2O），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
压电陶瓷材料的发展及应用
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
压电陶瓷发电特性及其应用研究共3篇
压电陶瓷发电特性及其应用研究共3 篇 压电陶瓷发电特性及其应用研究1 压电陶瓷发电特性及其应用研究 压电陶瓷是一种能够将电能和机械能相互转换的材料，其具有很强的压电效应和角电效应。因此，它在能量转换和储存领域中具有广泛的应用。本文将重点介绍压电陶瓷的发电特性及其应用研究。 1. 压电陶瓷的发电特性 压电陶瓷的发电机制是基于压电效应。当施加外力或压力时，它会产生电荷分布不均的情况，从而产生电势差并形成电流。这种电荷分布的不均匀是压电效应的直接结果。另一方面，压电陶瓷也具有角电效应。当施加过电压时，它可以被用作电极化器，在没有任何电学信号的情况下将机械幅度转换为电学信号。 2. 压电陶瓷的应用研究 2.1 压电陶瓷发电机 压电陶瓷发电机可以将机械能转换为电能。它可以通过施加外力来刺激压电陶瓷并流过电流。由于其结构简单、可靠性高、
无污染、可靠性高等特点，压电陶瓷发电机受到了广泛的关注。 2.2 压电能量收集装置 压电能量收集装置是将压电陶瓷与电容器等元件结合使用，以收集从机械系统中产生的微弱电能。其中一种常见的应用是使用人体步态能量来为电子设备充电。此外，还可以通过将压电元件与振动绝缘和滤波元件结合使用来收集车辆振动或其他环境振动中的能量，以实现稳定、可靠的电源供应。 2.3 压电陶瓷传感器 压电陶瓷传感器被广泛应用于建筑结构、机器人、生物医学监测和流量计等领域。例如，压电陶瓷传感器可用于对结构的物理变形和应力进行测量，以便进行健康监测。另外，它还被用作假肢控制和人机交互的红外触摸传感器。 3. 结论 压电陶瓷发电具有广泛的应用前景，但其性能需要进一步提高。研究应该重点关注如何提高压电陶瓷的输出功率和增加其工作寿命。此外，在应用中，还应注意减小压电陶瓷的失效率以及尽可能减少它在安装中的受外部机械、化学和热损害的风险 综上所述，压电陶瓷作为一种新型的能量转换材料，具有着广泛的应用前景。通过应用研究可发现，压电陶瓷在发电、能量收集和传感器领域都具有非常重要的应用前景。但是，压电陶
压电陶瓷用途
压电陶瓷用途 压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。它在应用领域有着广泛的用途。本文将从几个方面介绍压电陶瓷的用途。 一、传感器领域 压电陶瓷具有压电效应，当施加力或压力时，会产生电荷或电压。因此，它在传感器领域有着重要的应用。例如，压电陶瓷可以用于压力传感器，通过测量电荷或电压的变化来测量外界压力的大小。此外，压电陶瓷还可以用于加速度传感器、力传感器、声音传感器等。 二、声学设备领域 压电陶瓷在声学设备领域有着广泛的应用。例如，压电陶瓷可以用于扬声器，通过施加电压来产生声音。同时，它也可以用于麦克风，通过感应声音振动来产生电信号。此外，压电陶瓷还可以用于超声波发生器、声纳等声学设备。 三、机械设备领域 由于压电陶瓷具有压电效应和压电逆效应，可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能。因此，在机械设备领域有着广泛的应用。例如，压电陶瓷可以用于振动器，通过施加电压来产生机械振动。同时，它也可以用于马达或执行器，通过施加电压来实现精确的运动控制。
四、医疗设备领域 压电陶瓷在医疗设备领域也有着重要的应用。例如，压电陶瓷可以用于超声波医疗设备，通过施加电压来产生超声波，用于医学诊断和治疗。此外，压电陶瓷还可以用于人工耳蜗，将声音转化为电信号，帮助聋哑人恢复听力。 五、电子设备领域 压电陶瓷在电子设备领域也有着广泛的应用。例如，压电陶瓷可以用于压电陶瓷滤波器，通过施加电压来改变其振动频率，实现信号的滤波和调谐。此外，压电陶瓷还可以用于电子驱动器、电子开关等电子设备。 压电陶瓷具有广泛的应用领域，包括传感器、声学设备、机械设备、医疗设备以及电子设备等。它的独特性能使其成为许多领域中不可或缺的材料。随着科技的不断发展，相信压电陶瓷的应用领域还将不断拓展和深化。
压电陶瓷材料及其应用研究
压电陶瓷材料及其应用研究 第一章压电陶瓷材料基础知识 压电陶瓷是指具有压电效应的陶瓷材料，压电效应是指在一个 压电器件的两侧施加外电场后，会在其内部产生一个机械应力， 反之，如果在机械应力作用下，会产生电荷积累。压电陶瓷材料 被广泛应用于传感器、无线电器件、声波过滤器等领域，具有体 积小、响应速度快、稳定性好等特点。 常见的压电陶瓷材料有Lead-Zirconate-Titanate（PZT）、Barium-Titanate（BaTiO3）、Lithium Tantalate（LiTaO3）等。其中，PZT材料具有良好的压电性能和电气机械耦合性能，是压电 陶瓷材料中应用最为广泛的一种。 第二章压电陶瓷材料制备方法 1. 固相反应法 该方法是基于化学计量比混合原料，并在高温下发生化学反应，在固相反应中形成所需的晶相。该方法可以制备纯度高、晶体颗 粒细小的PZT陶瓷材料，但需要高温处理，产生的副产物难以处理。 2. 溶胶-凝胶法
该方法将金属盐溶于有机溶剂中，形成溶胶，再通过加热蒸发 使其凝聚成凝胶状，最后通过热处理制得陶瓷材料。该方法制备 的PZT材料具有颗粒尺寸小、分散性好、细微晶体等特点，但制 备周期长。 3. 水热法 该方法将金属盐溶于水中，通过调整处理参数，如反应时间、 温度、pH值等，形成纳米颗粒，然后通过高温处理制得陶瓷材料。该方法制备的PZT材料颗粒尺寸小、分散性好，在微波器件中应 用广泛。 第三章压电陶瓷材料应用 1. 传感器领域 PZT材料因其良好的压电性能已经被广泛应用于传感器领域。 如测量温度、压力、流量、荷重等，电极与陶瓷材料相连接，通 过检测材料的压电效应，将所需测量转化为电信号输出。 2. 无线电器件领域 PZT材料因具有良好的电气机械耦合效应，在无线电器件中应 用广泛，如滤波器、振子等。滤波器中的PZT材料通过调节膜的 频率和带宽来实现滤波效果，振子通过PZT材料生产机械振动并 发出声波信号。
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） 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
压电陶瓷及其应用
压电瓷及其应用 一. 概述 压电瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与瓷的生产工艺相似〔原料粉碎、成型、高温烧结〕因而得名。 *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，从而在晶体外表出现正负束缚电荷，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*温度围不仅具有自发极化，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*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——压电瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO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透明压电瓷，使压电瓷的应用扩展到光学领域。 迄今，压电瓷的应用，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 瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已到达或接近国际水平。 二. 压电瓷压电性的物理机制 压电瓷是一种多晶体，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
压电陶瓷材料的性质研究与应用
压电陶瓷材料的性质研究与应用 压电陶瓷材料是指在外加电场作用下能够发生形变，而在外加形变作用下又能 够产生电荷分布的一种特殊材料。它是一种具有卓越性能的功能材料，具有压电、电磁、光学、声学、磁学等多种特性，被广泛应用于传感、仪器、通讯、医疗、能源、军事等领域。 一、压电陶瓷材料的性质 压电效应是指当施加压力时，材料会产生电荷分布是由于材料在压力下对晶格 间距进行拉伸或压缩，从而导致材料在电性上产生变化。与之相反，当施加电场时，材料也会发生形变。 压电陶瓷材料是一种非常优秀的压电材料，具有稳定的机械性能、良好的化学 稳定性、高压电系数、极高的Q值、较大的耐热和耐湿性能。目前，常用的压电 陶瓷材料主要有PZT（铅锆钛）、PMN-PT（铅镁铌酸钛）、PNZT（铅钇锆钛）等。 二、压电陶瓷材料的应用 压电陶瓷材料是一种功能材料，广泛应用于传感、控制、振动、谐振、储能等 领域。以下是几个典型的应用案例。 （1）传感器 压电传感器是压电材料广泛应用的领域之一。利用压电陶瓷材料的压电效应， 将压电陶瓷材料作为敏感元件，制成各种传感器。 例如，对于水下传感器，采用压电陶瓷材料的压电效应，可以使传感器具有压 力传感、压力传递、声波传输等功能。同时，还可以使水下传感器具有扩张性、延伸性、防震性等优良性能。
（2）谐振器 谐振器是利用谐振现象的设备，可以用于精确测量、频率控制、稳定器等领域。压电陶瓷材料的高压电系数、低损耗、温度稳定性较好的性能，使它成为制备谐振器的优良材料。 例如，对于陶瓷振荡器，采用压电陶瓷材料可以制作出更为灵敏、更为精准的 振荡器。 （3）控制器 压电陶瓷材料可以通过改变外加电场的大小和方向，实现精密的机械控制。而 且由于压电效应是一种瞬态响应，因此压电陶瓷材料的机械响应很快，可以快速并精确地实现机械控制。 例如，对于固体流量控制器，采用压电陶瓷材料可以实现流量快速自动调节。三、未来展望 随着信息技术的快速发展，传感、通讯、能源等领域对功能材料的需求日益增加，压电陶瓷材料的应用前景非常广阔。未来，压电陶瓷材料的新型材料设计和制备技术将成为研究热点，同时，随着高性能计算技术的发展和电子器件的微型化，将有更多的应用场景需要压电陶瓷材料的协助。
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准确地控制形变量。 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，出力通常到达数百牛顿的范围，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 压电陶瓷主要成分 压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，其主要成分包括钛酸锆、钛酸铅和硅酸钠等。压电陶瓷具有压电效应，即在受到外力作用时会产生电荷分离现象，从而产生电压差。这种材料常被用于传感器、驱动器和压电换能器等设备中。 钛酸锆是一种重要的压电陶瓷材料，其化学式为ZrTiO4。它具有较高的压电系数和介电常数，因此在压电陶瓷中具有广泛的应用。钛酸锆是一种晶体材料，其晶体结构为正交晶系。它的压电性能主要是由晶格结构变形引起的，当外力施加到钛酸锆晶体上时，晶格会发生畸变，导致正电荷和负电荷的分离，从而产生电压。 钛酸铅是另一种常见的压电陶瓷材料，其化学式为PbTiO3。它具有良好的压电性能和介电性能，因此在压电器件中得到广泛应用。钛酸铅是一种钙钛矿结构的陶瓷材料，其晶体结构具有较高的对称性，因此表现出优异的压电性能。钛酸铅的压电效应是由晶体结构的畸变引起的，当外力作用到钛酸铅晶体上时，晶格会发生畸变，导致电荷的分离。 硅酸钠是一种常用的玻璃基质材料，它的化学式为Na2SiO3。硅酸钠在压电陶瓷中常用作玻璃相的添加剂，可以提高陶瓷的烧结性能和机械强度。硅酸钠的加入可以改善压电陶瓷的工艺性能，并且对陶瓷的压电性能没有明显的影响。 除了以上主要成分外，压电陶瓷中还可能含有其他添加剂，如氧化铁、氧化钴等。这些添加剂的加入可以改变陶瓷的物理性能和电学性能，从而适应不同的应用场景。 压电陶瓷具有许多优异的性能，如高压电系数、宽工作频率范围、稳定性好等。它在传感器领域中被广泛应用，如压力传感器、加速度传感器等。此外，压电陶瓷还可以用于声波发生器、压电换能器等设备中。压电陶瓷的应用领域非常广泛，涉及到电子、通信、医疗、汽车等多个行业。 压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，其主要成分包括钛酸锆、钛酸铅和硅酸钠等。这些成分赋予了压电陶瓷优异的压电性能和介电性能，使其在传感器、驱动器和压电换能器等设备中得到广泛应用。压电陶瓷的发展将为电子技术的进步和应用提供强大的支持。 压电陶瓷——信息时代的新型材料 压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器，就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之产生十几kV的高电压，从而产生火花放电，达到点火的目的。压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的：差不多十年之后，贾菲（Jaffe）等又发现了PbTi03-PbZrO2系（即所谓PZT系）及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。特别是三元系压电陶瓷的出现，使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地，能满足多种电子仪器的要求，从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了。例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器，电声换能器，水声换能器，声表的波器件，电光器件，红外探测器件和压电陀螺等，都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。什么是压电陶瓷呢？其实它是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，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。1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年，第一个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年，钛酸钡拾音器——第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。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，对塑料甚至金属进行加工。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，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中，成为信息时代的多面手。在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏。还有电视机里的变压器——电压陶瓷变压器，它体积变小、重量减轻，效率可达60%～80%，能耐住3万伏的高压，使电压保持稳定，完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管，使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。压电陶瓷也广 压电材料应用 压电材料是一类具有压电效应的特殊材料，可以在受到外力作用时发生电荷的分离，使得材料表面出现电荷分布的非均匀情况。由于其独特的性质，压电材料在许多领域都有广泛的应用。 首先，压电材料广泛应用于声、电、光和热的各种转换中。将压电材料应用于声谱分析仪、高频扬声器、超声波传感器等声学设备中，可以将声音信号转换为电信号。此外，压电材料还可以制作压电振荡器，用于陶瓷红外线辐射加热器等应用。压电材料还可用于制作压电显像材料，用于电视、计算机等显示器的制造。 其次，压电材料在精密仪器制造中有着广泛的应用。由于压电材料的压电效应是线性的，且其信号与力的大小成正比，因此压电材料可以用于制作测力传感器和压力传感器，用于测量各种物体的力和压力。此外，压电材料可用于制作电子天平，实现高精度的质量测量。另外，压电材料还可以用于制作电子剪切压力计、振动加速度计等仪器。 再次，压电材料还被广泛应用于医疗设备。例如，压电陶瓷可以制作超声波探头，用于医疗超声仪的制造。医疗超声波是一种非常重要的影像学技术，可以在医学诊断中获得准确的图像信息，有助于诊断疾病和指导手术。此外，压电陶瓷还可以制作压电注气泵，用于人工呼吸机、医用氧气设备等医疗设备的制造。压电材料还可以应用于生物医学领域，用于制造微机械器件，例如微流控芯片、微针等。 最后，压电材料还可用于能源收集和传感器的制造。压电材料可以转换机械能为电能，可以用于制作压电发电机，用于环境振动能的收集。压电材料还可以制作环境监测传感器，例如压电应变计和压电加速度计，用于监测和测量地震震级、风力风速、结构振动等。此外，压电材料还可以用于制作温度传感器和湿度传感器。 总之，压电材料是一类具有独特性质的特殊材料，在声、光、电和热等各个领域都有广泛的应用。随着科技的不断进步，压电材料在更多领域将会发挥更大的作用。 压电陶瓷材料 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刺激可以产生电压的陶瓷材料。 压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质 ,电介质在电场的作用下有两种效应 ,即逆压电效应和电致伸缩效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场的作用下产生应变 ,应变大小与电场大小成正比 ,应变的方向与电场方向有关。 压电陶瓷的基本原理： 1.电畴： 通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴。两畴之间的界壁称为畴壁，根据两个电畴的自发极化方向，可分为90°畴壁、180°畴壁等。畴壁通常位于晶体缺陷附近，因为缺陷区存在内应力，畴壁不易移动。相邻电畴的取向一般都是“首尾相接”的（图2），在应力场作用下也会出现“头对头，尾对尾”的特殊形态以利于降低自由能。观察电畴可以采用化学腐蚀法、偏光显微镜法和X射线形貌法等。压电陶瓷主要成分
压电陶瓷——信息时代的新型材料
压电材料应用
压电陶瓷材料