压电陶瓷

压电陶瓷是钛酸钡系列、钛酸铅－锆酸铅二元体系和向二元体系中加入第三种ABO3 3(a代表二价金属离子，B代表四价金属离子或几个离子之和为正四价)型化合物，如：Pb(Mn1/3)Nb2/3)O3和Pb(CO1/3Nb2/3)O3等组成的三元体系。如果将第四种或更多种化合物加入到三元体系中，可以形成四元或多元压电陶瓷。此外，还有铌酸盐压电陶瓷，如氧化钠(钾)氧化铌(Na0.5·K0.5·NbO3)和氧化钡（锶）氯化铌(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等等，它们不含铅，有利于环保。

压电陶瓷

压电陶瓷是一种具有压电性能的电子陶瓷材料. 和没有铁电元件的典型压电应时晶体之间的主要区别在于：构成其主要成分的晶相是铁电颗粒.因为陶瓷是具有随机取向晶粒的多晶聚集体，所以每个铁电晶粒的自发极化矢量也是随机取向的. 为了使陶瓷表现出宏观的压电特性，需要将压电陶瓷烧成后放入强DC电场中极化处理，并在端面覆盖复合电极，使原来无序的极化矢量优先沿电场方向取向. 压电陶瓷经过极化处理后，电场取消后会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有一定的压电性能。

1880年，居里兄弟首次发现了电气石的压电效应，从此开始了压电的历史。

1881年居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出了应时相同的正负压电常数。

1894年，Voigt指出，只有二十种没有对称中心的点群的晶体才有压电效应应时是压电晶体的代表，并得到了应用。

第一次世界大战中，居里夫人的继承者朗之万首先利用应时的压电效应，制成了用于探测潜艇的水下超声波探测器，从而揭开了压电应用史上的一个篇章。

钛酸钡陶瓷在二战中被发现，压电材料及其应用取得了划时代的进展。

1946年，美国麻省理工学院绝缘实验室发现，给钛酸钡铁电陶瓷施加一个DC高压电场，使其自发极化优先沿电场方向取向，去掉电场后仍能保持一定的残余极化，使其具有压电效应，压电陶瓷由此诞生。

1947年，美国的Roberts对BaTiO 3陶瓷施加高电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压特性随后，日本积极开发利用BaTiO 3压电陶瓷制作超声波换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究一直持续到50年代中期。

1955年，美国b.Jaffe等人发现了压电性能优于BaTiO3的PZT压电陶瓷，极大地促进了压电器件的应用研究。随着PZT的出现，一些在BaTiO3时代难以应用的应用，尤其是压电陶瓷滤波器和谐振器，利用声表面波，迅速投入实际使用（SAW）的滤波器、诸如延迟线和振荡器之类的SAW器件也是在20世纪70年代后期实现的。

常用的压电陶瓷是钛酸钡、锆钛酸铅二元系统和向二元系统添加第三ABO3(a代表二价金属离子，B代表四价金属离子或几个离子之和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元体系。如果将第四种或更多种化合物加入到三元体系中，可以形成四元或多元压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等等，它们不含铅，有利于环保。

介电和弹性性能

压电陶瓷的介电性能反映了陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。当外电场不太大时，电介质对电场的响应可以是线性的：

p是极化强度， ε0是真空介电常数，极化率，E是外加电场。压电陶瓷元件的不同用途要求压电陶瓷具有不同的介电常数。比如音频元件如 压电陶瓷扬声器，要求陶瓷的介电常数较大，而高频压电陶瓷元件要求材料的介电常数较小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷变形与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料，像其他弹性体一样，遵循虎克 s定律: xmn=cmnpqxmnpq，其中cmnpq称为弹性体的弹性硬度常数， X 为应力，x为应变。对于压电体，由于压电效应，弹性系数的值与电边界条件有关。

压电陶瓷的压电性能

压电陶瓷最大的特点就是压电性， 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指在机械外力作用下，某些电介质中正负电荷中心发生相对位移而产生的极化，导致电介质两端表面出现符号相反的束缚电荷。外力不太大时， 的电荷密度与外力成正比， 遵循公式：

其中，δ是表面电荷密度， d是压电应变常数，t是拉伸应力。相反，当向压电电介质施加外电场时，电介质中的正负电荷中心发生相对位移和极化，电介质由于这种位移而变形，称为逆压电现象。当电场不是很强时，形变与外电场成线性关系， 遵循公式：

Dt是逆压电应变常数， 是D的转置矩阵， E是施加的电场， x是应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性质和介电性质之间的耦合程度，用机电耦合系数K来表示， 遵循公式:

其中u12为压电能， u1为弹性能， u2为介电能。

压电特性的物理机制

极化的压电陶瓷片两端会出现束缚电荷，所以电极表面会吸附一层来自外界的自由电荷。当外部压力F施加到陶瓷片上时，放电将发生在陶瓷片的两端。反之，拉力会导致带电。这种机械效应转化为电效应的现象属于正压电效应。

另外， 压电陶瓷具有自发极化的性质，在外加电场的作用下， 自发极化可以发生转变。因此，当给压电介质施加一个外电场时，就会发生如图所示的变化， 压电陶瓷就会变形。而 压电陶瓷之所以会变形，是因为 在施加类似自发极化的外电场时，相当于增强了极化强度。随着极化强度的增加，压电陶瓷片在极化方向上伸长。相反，如果施加反向电场，陶瓷片将在极化方向上缩短。这种由于电效应而转化为机械效应的现象，就是逆压电效应。

其他特性

压电陶瓷具有敏感特性，可将极其微弱的机械振动转化为电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力很敏感，以至于它甚至能感应到十几米外飞虫拍动翅膀对空气的扰动用它制作压电地震仪，可以精确测量地震强度，指示地震的方向和距离。这是压电陶瓷的伟大成就。

压电陶瓷在电场作用下产生的变形很小，最多不超过自身尺寸的十分之一唐 不要小看这个小小的变化，基于这个原理的精密控制机构就做出来了－压电致动器，用于控制精密仪器和机械、微电子技术、生物工程和其他领域是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制器件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势。它具有频率稳定度好精度高适用频率范围宽体积小等优点、不吸潮、使用寿命长，特别是在多路通信设备中，可以提高抗干扰性，使以前的电磁设备无法与之相比而面临被取代的命运。

首先，让我们 让我们来看看一种新型自行车减震控制器的工作原理普通阻尼器很难达到稳定的效果这种ACX阻尼控制器通过使用压电材料首次提供了连续可变的阻尼功能。传感器以每秒50次的速度监控冲击活塞的运动如果活塞移动很快，通常是在不平的地面上行驶造成的快速冲击，需要启动最大减震功能；如果活塞移动缓慢，说明路面平坦，只需要微弱的减震作用。综上所诉：压电陶瓷是矢量转换材料力-电电-力初级机电转换，典型应用：压电点火称重传感主电源转换：制动器致动器电力-力-形变-振动-声波-电声-超声等形变-位移-检测电-力-电学，压电变压器等等~可以说压电陶瓷虽然是新材料，但是相当平民化。用在高科技上，但更多的是服务于生活中的人，创造更好的生活。压电陶瓷的主要原料还包括铅等有毒物质。下一阶段，无铅压电陶瓷和低温压电陶瓷将是发展方向。制造工艺

工艺流程图如下：配料-混合磨细-预烧-二次磨细-造粒-成型-排塑-烧结成瓷-外形加工-被电极-高压极化-老化测试。

一、配料：进行预处理，去除杂质和潮湿，然后按配方比例称取各种原料，注意少量添加剂要放在散料中间。

二、混合磨细：目的是将各种原料混合研磨均匀，为预烧完全固相反应准备条件。一般采用干磨或湿磨。小批量可以用干磨，大批量可以用搅拌球磨或气流粉碎，效率高。

三、预 烧：目的是通过原料高温固相反应合成压电陶瓷。此道工序很重要。它将直接影响烧结条件和最终产品的性能。

四、二次细磨：目的是对预烧压电陶瓷粉体进行精细的振动混合和研磨，为成品瓷的性能均匀打下良好的基础。

五、造粒：目的是使粉末形成密度高流动性好的颗粒。该方法可以手工进行，但效率较低有效的方法是喷雾造粒。这一过程需要添加粘合剂。

六、成型：目的是将颗粒状材料压制成所需预设尺寸的坯料。

七、排塑：目的是从坯料中去除制粒过程中添加的粘合剂。

八、烧结成瓷：将坯体高温密封烧结成瓷。此环节相当重要。

九、外形加工：将烧好的产品研磨至所需的成品尺寸。

十、被电极：导电电极布置在所需的陶瓷表面上。一般的方法是银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。

十一、高压极化：陶瓷中的电畴被定向，使得陶瓷具有压电特性。

十二、老化测试：陶瓷性能稳定后，对各项指标进行测试，看是否达到预期的性能要求。

压电陶瓷的制造特点是在DC电场下极化铁电陶瓷，使其具有压电效应。一般极化电场为3 ~ 5kV/Mm，温度100 ~ 150℃，时间5 ~ 20min。这三个因素是影响极化效应的主要因素。性能好的压电陶瓷，如锆钛酸铅陶瓷，机电耦合系数高达0.313～0.694。

主要用途

1、语音转换器语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可以使用压电陶瓷作为声音转换器。例如，儿童 s toys就是通过压电陶瓷的逆压电效应振动的电流，发出人耳可以听到的声音。压电陶瓷可以通过电子电路的控制产生不同频率的振动，从而发出不同的声音。例如，电子音乐贺卡通过逆压电效应将AC音频电信号转换成声音信号。

2、压电雷管 自一战英军发明坦克，并在重创德军的法国索姆河战役中首次使用以来，坦克在多次战役中大显身手。然而，到了六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射的穿甲弹接触坦克会立刻爆炸，坦克会被炸成碎片。这是因为弹头上装有压电陶瓷，可以将碰撞时产生的强大机械力转化为瞬间高压，火花会爆炸引爆炸药。

3、压电打火机 是一种新型的用于燃气灶的电子打火机，由压电陶瓷制成。只要用手指按下点火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高压，形成电火花，点燃气体，可以长时间使用。因此，压电打火机不仅使用方便安全可靠，而且使用寿命长比如钛酸铅压电陶瓷制成的打火机，可以使用100万次以上。

4、防核护目镜 核试验者佩戴透明压电陶瓷制成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险水平时，护目镜中的压电陶瓷会将其转化为瞬间高压电，并在1/在10003356 s中，光强可以降低到只有1/10000，当危险之光消失后，可以恢复原状。这种护目镜结构简单，重量只有几十克，安装在防核护眼头盔上携带非常方便。

5、超声波换能器 适用于超声波焊接设备和超声波清洗设备它主要由高功率发射压电陶瓷制成超声波换能器是一种能将高频电能转化为机械能的装置超声波换能器作为一种能量转换装置，用于将输入的电能转换成机械能（即超声波）然后传递出去，本身就消耗了一小部分电量。

6、声纳 海战中，最难对付的就是潜艇，它可以长时间在海里潜水，神不知鬼不觉地潜入港口、船只是敌人最头疼的问题。如何寻找敌潜艇？眼睛不行，雷达也不行，因为电磁波在海水中会急剧衰减，不能有效地传递信号探测潜艇靠声纳-水下耳朵。压电陶瓷是制造声纳的材料它发射超声波，遇到潜艇会反射经过接收和处理后，就可以测出敌方潜艇的位置、距离等。

常见运用

1：正负压电效应的应用

2：压电陶瓷蜂鸣器扬声器

3：压电陶瓷拾音器

4：压电变压器

5：压电陶瓷点火器