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讓我們來聊聊“壓電陶瓷"-推薦中科院系列壓電D33測試儀
單板型壓電陶瓷 圖片來源：京瓷
陶瓷是古老中國的代名詞，歷史悠久，種類繁多。陶瓷從花瓶、碗碟等器皿發(fā)展到現(xiàn)在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶體的微觀極化特性的發(fā)現(xiàn)。功能陶瓷是以電、磁、聲、光、熱和力學等信息的存儲、檢測、耦合及轉(zhuǎn)換等主要特征的介質(zhì)材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領(lǐng)域的主流材料之一。
中科院聲學所ZJ-3系列壓電D33系數(shù)測試儀是目前應用比較廣泛的設備，加上PZT-JH10/4型壓電陶瓷極化設備，PZT-JH30/3復合極化設備（塊體+PVDF薄膜），ZJ-YP15型陶瓷壓片機，ZT-4A型鐵電測試儀，GWJDN-1000型高溫介電溫譜測試儀，這些都是構(gòu)成了當前功能陶瓷的主要測試設備。
一、什么是壓電陶瓷
壓電陶瓷是指把氧化物混合（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）高溫燒結(jié)、固相反應后而成的多晶體，并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。其中，鋯鈦酸鉛陶瓷簡稱PZT陶瓷，是一種二元固溶體，它呈現(xiàn)出 ABO3 型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是一種應用極為廣泛的壓電材料。
二、什么又是壓電效應
某些電介質(zhì)在沿一定方向受外力作用而變形時﹐內(nèi)部產(chǎn)生極化的同時﹐在晶體的兩個相對的表面上出現(xiàn)正負電荷，此現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應是指晶體因機械應力的作用而使其介質(zhì)化﹐并使其表面荷電的效應。反之﹐當在晶體外部施加電場時，受電場影響的晶體會產(chǎn)生機械形變﹐稱為逆壓電效應。
正壓電效應 逆壓電效應
三、為什么能實現(xiàn)“壓電"
壓電陶瓷要有兩個條件：一是晶粒有鐵電性；二是經(jīng)過強直流電場極化處理。所有的鐵電單晶都具有壓電效應，但是對于鐵電陶瓷（陶瓷是多晶體）則需要經(jīng)過高壓直流極化處理。這是因為陶瓷內(nèi)部的各晶粒雖然存在自發(fā)極化，具有鐵電性，但是其自發(fā)極化電疇的取向是隨機的，宏觀上并不具有極化強度。在高壓直流電場作用下電疇沿電場方向定向排列，而且在電場去除后，這種定向狀態(tài)大部分能夠被保留下來，所以陶瓷呈現(xiàn)壓電效應。
壓電陶瓷人工極化過程
四、壓電陶瓷材料的分類
目前，壓電陶瓷體系主要包括鎢青銅結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)三大類壓電陶瓷材料。
（1）鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷
鎢青銅結(jié)構(gòu)是僅次于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的第二大類鐵電體。該晶體也是由氧八面體以共頂點的形式聯(lián)接而成的。氧八面體以共頂點的形式沿四重軸形成堆垛，各堆垛再以共頂點的形式聯(lián)接起來。目前被廣泛研究體系要有（SrxBa1-x）Nb2O6、(AxSr1-x)NaNb5O15 （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba2AgNb5O15等。
特點：具有自發(fā)極化強度大、居里溫度較高（300℃左右）、介電損耗較低等優(yōu)點，但是結(jié)溫度較高，難于制備，而且溫度穩(wěn)定性較差。
鎢青銅結(jié)構(gòu)晶胞在（001）面的投影
（2）鉍層狀結(jié)構(gòu)陶瓷
鉍層狀結(jié)構(gòu)陶瓷是一種含Bi的有氧八面體的層狀結(jié)構(gòu)化合物鐵電體。目前研究較多主要包括：Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15，SrBi2Nb2O9，及其改性的化合物等。
特點：電學性能各向異性明顯，機械品質(zhì)因數(shù)高，居里溫度高，相對介電常數(shù)低，電阻率高，介電擊穿強度高，諧振頻率的時間和溫度穩(wěn)定性好。但是，此類陶瓷的缺點也很明矯頑場比較高，不容易極化，壓電活性較低。
鉍層陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖
（3）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷
目前研究泛的晶體結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)的化學式可寫為ABO3型，其中A為一價或二價金屬離子，而B為四價或五價金屬。半徑較大的A正離子，半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角，體心和面心。被廣泛應用研究主要有鈦酸鋇，鈦酸鉛，錯鈦酸鉛和 KxNa1-xNbO3等。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖
五、壓電陶瓷的制備工藝
壓電陶瓷制備過程主要包括陶瓷原料粉體的合成、成型、燒結(jié)、被電極和極化等幾個主要過程。在這些過程中，伴隨著一系列的物理和化學變化。壓電陶瓷的性能與材料的組分和制備工藝有直接的關(guān)系，所以一整套穩(wěn)定合理的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)異材料性能的重要保證。
工藝名稱 | 目的 |
配料 | 進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料 |
混合磨細 | 一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。 目的是將各種原料混勻磨細，為預燒進行的固相反應準條件。 |
預燒 | 在高溫下，各原料進行固相反應，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。 |
二次磨細 | 將預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細。為成瓷均勻性能一致打好基礎。 |
造粒 | 使粘合劑更均勻，使成型樣品的密度更均勻，排出顆粒間的空氣，有利于成型和致密。 |
成型 | 指在較高溫度下成型坯體發(fā)生體積收縮、密度提高和強度增加的過程。 |
排塑 | 防止因高溫下的分解、揮發(fā)而導致樣品胚體在燒結(jié)過程中變形、開裂。 |
燒結(jié)成瓷 | 將坯體加熱到足夠高的溫度但低于熔點，使陶瓷坯體體積收縮、密度提高和強度增大的過程。 |
外形加工 | 將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 |
被電極 | 在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。 |
高壓極化 | 使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。 |
老化測試 | 陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。 |
表1 各制備工藝簡介
六、壓電陶瓷材料的應用
由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應，其在壓電傳感器、驅(qū)動器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。應用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業(yè)機械、醫(yī)療、汽車等眾多領(lǐng)域。壓電陶瓷具有性能高、成本低、易于加工制備等特點，是目前壓電驅(qū)動器最主要的驅(qū)動材料。
壓電材料典型應用
總結(jié)
壓電效應技術(shù)以其*的優(yōu)勢在能源需求不斷增長的今天﹐得到了日益廣泛的應用。其中壓電陶瓷是一種重要的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學性能，被廣泛地應用于電子、航空航天、生物等高技術(shù)領(lǐng)域。隨著新興領(lǐng)域的飛速發(fā)展和經(jīng)濟社會新的發(fā)展需求，未來對壓電陶瓷的性能會有更高的要求。如：高居里溫度、高機電耦合系數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)及環(huán)保、無鉛、復合、納米壓電陶瓷必將成為今后的研究重點。
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