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讓我們來(lái)聊聊“壓電陶瓷"-推薦中科院系列壓電D33測試儀
單闆型壓電陶瓷 圖片來(lái)源：京瓷
陶瓷是古老中國的(de)代名詞，曆史悠久，種類繁多(duō)。陶瓷從花瓶、碗碟等器皿發展到現在的(de)功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶體的(de)微觀極化(huà)特性的(de)發現。功能陶瓷是以電、磁、聲、光(guāng)、熱(rè)和(hé)力學等信息的(de)存儲、檢測、耦合及轉換等主要特征的(de)介質材料，主要包括壓電、介電、熱(rè)釋電和(hé)磁性等功能各異的(de)新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領域的(de)主流材料之一。
中科院聲學所ZJ-3系列壓電D33系數測試儀是目前應用(yòng)比較廣泛的(de)設備，加上PZT-JH10/4型壓電陶瓷極化(huà)設備，PZT-JH30/3複合極化(huà)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(gāo)溫介電溫譜測試儀，這(zhè)些都是構成了(le)當前功能陶瓷的(de)主要測試設備。
一、什(shén)麽是壓電陶瓷
壓電陶瓷是指把氧化(huà)物(wù)混合（氧化(huà)锆、氧化(huà)鉛、氧化(huà)钛等）高(gāo)溫燒結、固相反應後而成的(de)多(duō)晶體，并通(tōng)過直流高(gāo)壓極化(huà)處理(lǐ)使其具有壓電效應的(de)鐵電陶瓷的(de)統稱，是一種能将機械能和(hé)電能互相轉換的(de)功能陶瓷材料。其中，锆钛酸鉛陶瓷簡稱PZT陶瓷，是一種二元固溶體，它呈現出 ABO3 型的(de)鈣钛礦結構，是一種應用(yòng)極爲廣泛的(de)壓電材料。
二、什(shén)麽又是壓電效應
某些電介質在沿一定方向受外力作用(yòng)而變形時(shí)﹐内部産生極化(huà)的(de)同時(shí)﹐在晶體的(de)兩個(gè)相對(duì)的(de)表面上出現正負電荷，此現象稱爲壓電效應。壓電效應分(fēn)爲正壓電效應和(hé)逆壓電效應。所謂正壓電效應是指晶體因機械應力的(de)作用(yòng)而使其介質化(huà)﹐并使其表面荷電的(de)效應。反之﹐當在晶體外部施加電場(chǎng)時(shí)，受電場(chǎng)影(yǐng)響的(de)晶體會産生機械形變﹐稱爲逆壓電效應。
正壓電效應 逆壓電效應
三、爲什(shén)麽能實現“壓電"
壓電陶瓷要有兩個(gè)條件：一是晶粒有鐵電性；二是經過強直流電場(chǎng)極化(huà)處理(lǐ)。所有的(de)鐵電單晶都具有壓電效應，但是對(duì)于鐵電陶瓷（陶瓷是多(duō)晶體）則需要經過高(gāo)壓直流極化(huà)處理(lǐ)。這(zhè)是因爲陶瓷内部的(de)各晶粒雖然存在自發極化(huà)，具有鐵電性，但是其自發極化(huà)電疇的(de)取向是随機的(de)，宏觀上并不具有極化(huà)強度。在高(gāo)壓直流電場(chǎng)作用(yòng)下(xià)電疇沿電場(chǎng)方向定向排列，而且在電場(chǎng)去除後，這(zhè)種定向狀态大(dà)部分(fēn)能夠被保留下(xià)來(lái)，所以陶瓷呈現壓電效應。
壓電陶瓷人(rén)工極化(huà)過程
四、壓電陶瓷材料的(de)分(fēn)類
目前，壓電陶瓷體系主要包括鎢青銅結構、铋層狀結構、鈣钛礦結構三大(dà)類壓電陶瓷材料。
（1）鎢青銅結構陶瓷
鎢青銅結構是僅次于鈣钛礦結構的(de)第二大(dà)類鐵電體。該晶體也(yě)是由氧八面體以共頂點的(de)形式聯接而成的(de)。氧八面體以共頂點的(de)形式沿四重軸形成堆垛，各堆垛再以共頂點的(de)形式聯接起來(lái)。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：具有自發極化(huà)強度大(dà)、居裏溫度較高(gāo)（300℃左右）、介電損耗較低等優點，但是結溫度較高(gāo)，難于制備，而且溫度穩定性較差。
鎢青銅結構晶胞在（001）面的(de)投影(yǐng)
（2）铋層狀結構陶瓷
铋層狀結構陶瓷是一種含Bi的(de)有氧八面體的(de)層狀結構化(huà)合物(wù)鐵電體。目前研究較多(duō)主要包括：Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15，SrBi2Nb2O9，及其改性的(de)化(huà)合物(wù)等。
特點：電學性能各向異性明(míng)顯，機械品質因數高(gāo)，居裏溫度高(gāo)，相對(duì)介電常數低，電阻率高(gāo)，介電擊穿強度高(gāo)，諧振頻(pín)率的(de)時(shí)間和(hé)溫度穩定性好。但是，此類陶瓷的(de)缺點也(yě)很明(míng)矯頑場(chǎng)比較高(gāo)，不容易極化(huà)，壓電活性較低。
铋層陶瓷結構示意圖
（3）鈣钛礦結構陶瓷
目前研究泛的(de)晶體結構爲鈣钛礦結構，該類結構的(de)化(huà)學式可(kě)寫爲ABO3型，其中A爲一價或二價金屬離子，而B爲四價或五價金屬。半徑較大(dà)的(de)A正離子，半徑較小的(de)B正離子和(hé)氧離子分(fēn)别位于晶胞格子的(de)頂角，體心和(hé)面心。被廣泛應用(yòng)研究主要有钛酸鋇，钛酸鉛，錯钛酸鉛和(hé) KxNa1-xNbO3等。
鈣钛礦結構示意圖
五、壓電陶瓷的(de)制備工藝
壓電陶瓷制備過程主要包括陶瓷原料粉體的(de)合成、成型、燒結、被電極和(hé)極化(huà)等幾個(gè)主要過程。在這(zhè)些過程中，伴随著(zhe)一系列的(de)物(wù)理(lǐ)和(hé)化(huà)學變化(huà)。壓電陶瓷的(de)性能與材料的(de)組分(fēn)和(hé)制備工藝有直接的(de)關系，所以一整套穩定合理(lǐ)的(de)工藝參數是獲得(de)優異材料性能的(de)重要保證。
工藝名稱 | 目的(de) |
配料 | 進行料前處理(lǐ)，除雜(zá)去潮，然後按配方比例稱量各種原材料 |
混合磨細 | 一般采取幹磨或濕磨的(de)方法。小批量可(kě)采取幹磨，大(dà)批量可(kě)采取攪拌球磨或氣流粉碎的(de)方法，效率較高(gāo)。 目的(de)是将各種原料混勻磨細，爲預燒進行的(de)固相反應準條件。 |
預燒 | 在高(gāo)溫下(xià)，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(yǐng)響燒結條件及最終産品的(de)性能。 |
二次磨細 | 将預燒過的(de)壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細。爲成瓷均勻性能一緻打好基礎。 |
造粒 | 使粘合劑更均勻，使成型樣品的(de)密度更均勻，排出顆粒間的(de)空氣，有利于成型和(hé)緻密。 |
成型 | 指在較高(gāo)溫度下(xià)成型坯體發生體積收縮、密度提高(gāo)和(hé)強度增加的(de)過程。 |
排塑 | 防止因高(gāo)溫下(xià)的(de)分(fēn)解、揮發而導緻樣品胚體在燒結過程中變形、開裂。 |
燒結成瓷 | 将坯體加熱(rè)到足夠高(gāo)的(de)溫度但低于熔點，使陶瓷坯體體積收縮、密度提高(gāo)和(hé)強度增大(dà)的(de)過程。 |
外形加工 | 将燒好的(de)制品磨加工到所需要的(de)成品尺寸。 |
被電極 | 在要求的(de)陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化(huà)學沉積和(hé)真空鍍膜。 |
高(gāo)壓極化(huà) | 使陶瓷内部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。 |
老化(huà)測試 | 陶瓷性能穩定後檢測各項指标，看是否達到了(le)預期的(de)性能要求。 |
表1 各制備工藝簡介
六、壓電陶瓷材料的(de)應用(yòng)
由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應，其在壓電傳感器、驅動器、換能器和(hé)濾波器等器件中得(de)到了(le)廣泛的(de)應用(yòng)。應用(yòng)範圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業機械、醫療、汽車等衆多(duō)領域。壓電陶瓷具有性能高(gāo)、成本低、易于加工制備等特點，是目前壓電驅動器最主要的(de)驅動材料。
壓電材料典型應用(yòng)
總結
壓電效應技術以其*的(de)優勢在能源需求不斷增長(cháng)的(de)今天﹐得(de)到了(le)日益廣泛的(de)應用(yòng)。其中壓電陶瓷是一種重要的(de)功能材料，具有優異的(de)壓電、介電和(hé)光(guāng)電等電學性能，被廣泛地應用(yòng)于電子、航空航天、生物(wù)等高(gāo)技術領域。随著(zhe)新興領域的(de)飛(fēi)速發展和(hé)經濟社會新的(de)發展需求，未來(lái)對(duì)壓電陶瓷的(de)性能會有更高(gāo)的(de)要求。如：高(gāo)居裏溫度、高(gāo)機電耦合系數和(hé)機械品質因數及環保、無鉛、複合、納米壓電陶瓷必将成爲今後的(de)研究重點。
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