鐵電壓電陶瓷及其應用

1、鐵電、壓電陶瓷及其應用在天然水晶（石英晶體）的晶片上，若沿一定方向施加壓力后，它的相應的兩個面上就會帶電（圖1），這就是把機械能（壓力）轉變成了電能；相反，若將晶片放入交變電場中，晶片就會產生相應的形變而引起振動，也就是說把電能轉變成了機械能。這種機械能與電能相互轉換的現象就叫壓電效應，機械能轉變?yōu)殡娔転檎龎弘娦?，電能轉變?yōu)闄C械能為逆壓電效應。壓電效應這種現象是1880年由法國的P-居里和J居里兄弟首先發(fā)現的。具有這種效應的晶體叫做壓電晶體。1894年，科學家沃伊特(Voigt)根據壓電晶體的結構特征提出，在32種點群的晶體中，只有20種非中心對稱點群的晶體才有壓電效應。在正壓電效應中，單位

2、面積產生的電荷數與應力成正比；在逆壓電效應中，應變與電場強度成正比。由圖1可知，水晶晶體在不受力時，其正電荷中心與負電荷中心重合，整個晶體的總電矩為零，晶體表面不帶電（圖1a）.當晶體受力時,由于形變而導致正負電荷中心不再重合,晶體兩端表面就帶電了(圖1b為受壓,圖1c為受拉),這種正負電荷中心不重合的現象叫做極化.也有少數壓電晶體由于本身內部的特殊結構,在沒有外電場的情況下就存在著極化現象,這樣的極化為自發(fā)極化.這種具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域,稱為電疇.當其被放入電場中后,原來隨機混亂取向的電疇就會沿電場方向取向,若電場再反向,自發(fā)極化單元也會跟著反向,其極化與電

3、場的關系見圖,是一根回線,稱之為電滯回線,與鐵磁體的磁滯回線形狀類似,所以人們把這類晶體稱為鐵電體(其實晶體中并不含有鐵),這個回線就是鐵電體的標志.顯然,鐵電體是壓電體中的一種.自然界中具有壓電效應的壓電晶體很多,但往往成為陶瓷材料以后不呈現壓電性能,這主要是因為陶瓷是一種多晶體,由于其中各細小晶粒的紊亂取向,因而各晶粒間壓電效應會互相抵消,宏觀不呈現壓電效應。鐵電陶瓷中雖存在自發(fā)極化，但各晶粒間自發(fā)極化方向雜亂因此宏觀無極性。若將鐵電陶瓷預先經強直流電場作用，使各晶粒的自發(fā)極化方向都擇優(yōu)取向成為有規(guī)則的排列（這一過程稱為人工極化），當直流電場去除后，陶瓷內仍能保留相當的剩余極化強度，則陶瓷

4、材料宏觀具有極性，也就具有了壓電性能。因此，鐵電陶瓷只有經過“極化”處理，才具有壓電性。壓電陶瓷一般是鐵電體，只有鐵電陶瓷才能在外場作用下，使自發(fā)極化單元運動轉向，達到“極化”的目的，成為壓電陶瓷，因而把這類陶瓷稱為鐵電、壓電陶瓷。20世紀40年代人們首先制造成功鈦酸鋇（BaTiO3）鐵電壓電陶瓷，近年來，又有許多新型鐵電壓電陶瓷相繼問世，如鋯鈦酸鉛(Pb(Ti.Zr)O3-PZT)、鈮酸鹽陶瓷等。與鐵電壓電晶體相比，鐵電壓電陶瓷具有制備容易、化學成份可進行調整,能做成任意形狀的制品等優(yōu)點，所以鐵電壓電陶瓷的用途極其廣泛。絕大多數的壓電陶瓷材料(如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Zr1-xT

5、ix)O3)的晶體結構是ABO3型鈣鈦礦結構。圖3是BaTiO3在120以上的結構,為立方結構，無鐵電性。120以下，晶體結構稍有畸變，為四方結構，Ba2+和Ti4+相對于O2-產生了一個位移，結果沿C軸方向正負電荷中心不重合，產生了極化，通常把這種轉變溫度稱為居里溫度或居里點。居里點以上，晶體無鐵電性，居里點以下晶體處于鐵電態(tài)。實驗發(fā)現120到5自發(fā)極化沿C軸001方向；5到-80為斜方晶系，自發(fā)極化沿011方向，-80以下為菱形結構，自發(fā)極化沿111方向。壓電陶瓷的應用十分廣泛，最典型的應用是蜂鳴器和安全報警器，把陶瓷素坯軋成象紙一樣的薄片燒成后，在它的兩面做上電極，然后極化，這樣陶瓷就具

6、有壓電性了，然后再把它與金屬片粘合在一起，就做成一個蜂鳴器。當電極通電時，壓電陶瓷因逆壓電效應產生振動，發(fā)出人耳可以聽到的聲音。通過電子線路的控制，就可產生不同頻率的振動，從而發(fā)出不同的聲音，蜂鳴器最早用在電子玩具上，現在還被用于消防車、救護車、保險柜等處作為報警器。利用壓電陶瓷能把機械能轉變成電能的特性，還可以做成“陶瓷耳”。一般地震前由于地殼內部的異常運動會發(fā)出地聲，陶瓷耳可把聽到的聲音變成電信號輸入計算機，這樣就可以通過監(jiān)聽地聲來預報地震。另外，壓電體是發(fā)射和接收超聲波的理想材料。當交變電訊號作用于壓電體，因逆壓電效應而發(fā)生形變，在適當頻率下機電耦合諧振而發(fā)射超聲波，從而構成發(fā)射探頭，而

7、當超聲波作用于壓電體時，由于波動機械力作用，會因正壓電效應而在壓電體相應表面產生電信號輸出，構成接收探頭。用這種探頭可以制作超聲波探傷儀探測物體內部的缺陷，還可做成超聲顯微鏡、超聲測厚儀等。自20世紀70年代以來，壓電超聲換能器在醫(yī)學領域中的應用也不斷擴大，被認為是與x光、同位素并列的三大影象診斷方法之一。超聲脈沖診斷的原理是把具有指向性的超聲波脈沖發(fā)射到人體的有關部位，由于人體內部組織的聲阻抗（聲速與密度的乘積）不同，會產生不同波形，不同時延的反射波，從反射波的波形和回波時間等信息就可以判明反射對象的性質并作出病理判斷。超聲治療也顯示了很好的發(fā)展前景。如用壓電超聲換能器粉碎腎結石；制作盲人導

8、行裝置、助聽器等。此外，壓電超聲換能器還能用于對物質進行處理和加工，如超聲清洗,焊接、乳化、霧化、粉碎、凝聚、過濾、干燥等。聲馬達是壓電陶瓷應用中一個引人注目的新領域(圖4)。它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，直接把電能轉換成機械能輸出而無需電磁線圈的新型電機，與普通電磁馬達相比，它具有結構簡單、啟動快、體積小、功耗低等特點。另外，由于它是從電能直接轉換為機械能而不通過磁電轉換，因此，不產生磁干擾也不怕磁干擾。它還可以低速運行而不用減速機構。這種微型電機在航空、航天、精密機械、儀器儀表、自動控制、機器人、掃描電鏡微動臺、照相機自動聚焦、磁頭移動、機動車輛刮水器和電動開關車窗等許多技術領域有廣闊的應用前景。壓電效應早在1880年發(fā)現，在最初幾十年間并未引起人們的重視，第一次世界大戰(zhàn)期間，由于探測艦艇和沉船等技術的需求，西方一些國家對壓電晶體的實用技術展開了一些研究，但直到20世紀30年代仍未得到廣泛應