鐵電壓電陶瓷及其應(yīng)用

1、鐵電、壓電陶瓷及其應(yīng)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(yīng)的兩個面上就會帶電（圖1），這就是把機(jī)械能（壓力）轉(zhuǎn)變成了電能；相反，若將晶片放入交變電場中，晶片就會產(chǎn)生相應(yīng)的形變而引起振動，也就是說把電能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能。這種機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象就叫壓電效應(yīng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転檎龎弘娦?yīng)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)這種現(xiàn)象是1880年由法國的P-居里和J居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。具有這種效應(yīng)的晶體叫做壓電晶體。1894年，科學(xué)家沃伊特(Voigt)根據(jù)壓電晶體的結(jié)構(gòu)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(yīng)。在正壓電效應(yīng)中，單位

2、面積產(chǎn)生的電荷數(shù)與應(yīng)力成正比；在逆壓電效應(yīng)中，應(yīng)變與電場強(qiáng)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(fù)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(dāng)晶體受力時,由于形變而導(dǎo)致正負(fù)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(fù)電荷中心不重合的現(xiàn)象叫做極化.也有少數(shù)壓電晶體由于本身內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu),在沒有外電場的情況下就存在著極化現(xiàn)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(dāng)其被放入電場中后,原來隨機(jī)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(guān)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(biāo)志.顯然,鐵電體是壓電體中的一種.自然界中具有壓電效應(yīng)的壓電晶體很多,但往往成為陶瓷材料以后不呈現(xiàn)壓電性能,這主要是因為陶瓷是一種多晶體,由于其中各細(xì)小晶粒的紊亂取向,因而各晶粒間壓電效應(yīng)會互相抵消,宏觀不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。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(yù)先經(jīng)強(qiáng)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(dāng)直流電場去除后，陶瓷內(nèi)仍能保留相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄻O化強(qiáng)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(jīng)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(zhuǎn)向，達(dá)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(jì)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(xué)成份可進(jìn)行調(diào)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(shù)的壓電陶瓷材料(如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Zr1-xT

5、ix)O3)的晶體結(jié)構(gòu)是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。圖3是BaTiO3在120以上的結(jié)構(gòu),為立方結(jié)構(gòu)，無鐵電性。120以下，晶體結(jié)構(gòu)稍有畸變，為四方結(jié)構(gòu)，Ba2+和Ti4+相對于O2-產(chǎn)生了一個位移，結(jié)果沿C軸方向正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生了極化，通常把這種轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，自發(fā)極化沿111方向。壓電陶瓷的應(yīng)用十分廣泛，最典型的應(yīng)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(dāng)電極通電時，壓電陶瓷因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)在還被用于消防車、救護(hù)車、保險柜等處作為報警器。利用壓電陶瓷能把機(jī)械能轉(zhuǎn)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(nèi)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(jī)，這樣就可以通過監(jiān)聽地聲來預(yù)報地震。另外，壓電體是發(fā)射和接收超聲波的理想材料。當(dāng)交變電訊號作用于壓電體，因逆壓電效應(yīng)而發(fā)生形變，在適當(dāng)頻率下機(jī)電耦合諧振而發(fā)射超聲波，從而構(gòu)成發(fā)射探頭，而

7、當(dāng)超聲波作用于壓電體時，由于波動機(jī)械力作用，會因正壓電效應(yīng)而在壓電體相應(yīng)表面產(chǎn)生電信號輸出，構(gòu)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(nèi)部的缺陷，還可做成超聲顯微鏡、超聲測厚儀等。自20世紀(jì)70年代以來，壓電超聲換能器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，被認(rèn)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(guān)部位，由于人體內(nèi)部組織的聲阻抗（聲速與密度的乘積）不同，會產(chǎn)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(zhì)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(jié)石；制作盲人導(dǎo)

8、行裝置、助聽器等。此外，壓電超聲換能器還能用于對物質(zhì)進(jìn)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(dá)是壓電陶瓷應(yīng)用中一個引人注目的新領(lǐng)域(圖4)。它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，直接把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出而無需電磁線圈的新型電機(jī)，與普通電磁馬達(dá)相比，它具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為機(jī)械能而不通過磁電轉(zhuǎn)換，因此，不產(chǎn)生磁干擾也不怕磁干擾。它還可以低速運行而不用減速機(jī)構(gòu)。這種微型電機(jī)在航空、航天、精密機(jī)械、儀器儀表、自動控制、機(jī)器人、掃描電鏡微動臺、照相機(jī)自動聚焦、磁頭移動、機(jī)動車輛刮水器和電動開關(guān)車窗等許多技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。壓電效應(yīng)早在1880年發(fā)現(xiàn)，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(shù)的需求，西方一些國家對壓電晶體的實用技術(shù)展開了一些研究，但直到20世紀(jì)30年代仍未得到廣泛應(yīng)