压电陶瓷材料

基本原理

　　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。

新型及应用

　　1、 细晶粒压电陶瓷

　　以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。

　　2、PbTiO3系压电材料

　　PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。

　　3、压电陶瓷-高聚物复合材料

　　无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

　　4、压电性特异的多元单晶压电体

　　传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33可达2600pc/N(压电陶瓷d33为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

分类

　　1、按主要组成晶体结构分类：

　　现已实用化的压电陶瓷材料主要分为：

　　（1）钙钛结构矿 perovskite structure

　　具有钙钛矿结构的铁电，压电陶瓷属于ABO3型氧八面体，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金属。半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角，体心和面心。如图所示。这种结构也可看成是一组BO6八面体按简立方图样排列而成，各氧八面体由公有的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之间的空隙，钙钛矿原胞是立方的，也可畸变成具有三角和四方对称性。钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅和KxNa1-xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构。

　　（2）钨青铜结构 tungsten-bronze structure

　　具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10个BO6八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。 偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。

　　（3）铋层状结构 bismuth layer structure

　　铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与{Bi2O12}层交替叠成的。其中类钙钛矿层可以是一层{如Bi2WO6},二层{如PbBi2Nb3O9}，三层{如Bi4Ti8O12}以至五层。在类钙钛矿层中，其正离子可被许多离子取代。

　　（4）焦绿石结构 pyrochlore structure

　　焦绿石结构是由共同顶角的{NbO6或TaO6}氧八面体组成，而较大的Cd2+{或Pb2+}离子位于氧八面体之间的间隙中。这种结构的铁电体仅出现在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限几种化合物中。

　　2、 按主要组成组元分类：

　　（1）单元系陶瓷unit system ceramics

　　实用的单元系其结晶构造几乎都是BaTiO3为代表的钙钛矿结构和PbNbO6等的钙青铜结构：属于钙钛矿结构的单元系材料有①BaTiO3、②PbTiO3、③PbZrO3、④居里点高的ＢiNaTi2O6(Tc=320℃),BiKTiO6(380℃),Pb2FeNb6(112℃)和 　　Pb3ZnNb2O3(１４０℃)等压电陶瓷。属于钨青铜型结构的单元系压电陶瓷有①ＰbNb2O6②PbTa2O6③用Ｓr.Pb和稀土等置换Ｂa就得到属于钨青铜型结构的化合物ＢaNb2O3

　　a.钛酸钡陶瓷 barium titanate ceramics

　　钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料，预先合成后再在高温下烧结而成的。

　　b.钛酸铅陶瓷 lead titanate ceramics

　　钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。

　　（2）二元系陶瓷 binary system ceramies

　　二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体，其中A代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等，B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通过调节两种ABO3型结构的克分子比，以及用取代元素和添加物改性的方法，可以获得各种不同用途的材料。

　　锆钛酸铅陶瓷 Lead zirconate ceramic

　　PbZrxTi{1-x}O3锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷，这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构，当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时，具有最强的压电性能。

　　（3）三元系陶瓷 ternary system ceramics

　　三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三种{化学通式为ABO3型}化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分，它们的共同特点是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。