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讓我們(men) 來聊聊“壓電陶瓷"-推薦中科院係列壓電D33測試儀(yi)
單板型壓電陶瓷 圖片來源：京瓷
陶瓷是古老中國的代名詞，曆史悠久，種類繁多。陶瓷從(cong) 花瓶、碗碟等器皿發展到現在的功能陶瓷，主要在於(yu) 功能陶瓷晶體(ti) 的微觀極化特性的發現。功能陶瓷是以電、磁、聲、光、熱和力學等信息的存儲(chu) 、檢測、耦合及轉換等主要特征的介質材料，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域的主流材料之一。
中科院聲學所ZJ-3係列壓電D33係數測試儀(yi) 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複合極化設備（塊體(ti) +PVDF薄膜），ZJ-YP15型陶瓷壓片機，ZT-4A型鐵電測試儀(yi) ，GWJDN-1000型高溫介電溫譜測試儀(yi) ，這些都是構成了當前功能陶瓷的主要測試設備。
一、什麽(me) 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、固相反應後而成的多晶體(ti) ，並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稱，是一種能將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。其中，鋯鈦酸鉛陶瓷簡稱PZT陶瓷，是一種二元固溶體(ti) ，它呈現出 ABO3 型的鈣鈦礦結構，是一種應用極為(wei) 廣泛的壓電材料。
二、什麽(me) 又是壓電效應
某些電介質在沿一定方向受外力作用而變形時﹐內(nei) 部產(chan) 生極化的同時﹐在晶體(ti) 的兩(liang) 個(ge) 相對的表麵上出現正負電荷，此現象稱為(wei) 壓電效應。壓電效應分為(wei) 正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應是指晶體(ti) 因機械應力的作用而使其介質化﹐並使其表麵荷電的效應。反之﹐當在晶體(ti) 外部施加電場時，受電場影響的晶體(ti) 會(hui) 產(chan) 生機械形變﹐稱為(wei) 逆壓電效應。
正壓電效應 逆壓電效應
三、為(wei) 什麽(me) 能實現“壓電"
壓電陶瓷要有兩(liang) 個(ge) 條件：一是晶粒有鐵電性；二是經過強直流電場極化處理。所有的鐵電單晶都具有壓電效應，但是對於(yu) 鐵電陶瓷（陶瓷是多晶體(ti) ）則需要經過高壓直流極化處理。這是因為(wei) 陶瓷內(nei) 部的各晶粒雖然存在自發極化，具有鐵電性，但是其自發極化電疇的取向是隨機的，宏觀上並不具有極化強度。在高壓直流電場作用下電疇沿電場方向定向排列，而且在電場去除後，這種定向狀態大部分能夠被保留下來，所以陶瓷呈現壓電效應。
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(ti) 係主要包括鎢青銅結構、鉍層狀結構、鈣鈦礦結構三大類壓電陶瓷材料。
（1）鎢青銅結構陶瓷
鎢青銅結構是僅(jin) 次於(yu) 鈣鈦礦結構的第二大類鐵電體(ti) 。該晶體(ti) 也是由氧八麵體(ti) 以共頂點的形式聯接而成的。氧八麵體(ti) 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接起來。目前被廣泛研究體(ti) 係要有（SrxBa1-x）Nb2O6、(AxSr1-x)NaNb5O15 （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba2AgNb5O15等。
特點：具有自發極化強度大、居裏溫度較高（300℃左右）、介電損耗較低等優(you) 點，但是結溫度較高，難於(yu) 製備，而且溫度穩定性較差。
鎢青銅結構晶胞在（001）麵的投影
（2）鉍層狀結構陶瓷
鉍層狀結構陶瓷是一種含Bi的有氧八麵體(ti) 的層狀結構化合物鐵電體(ti) 。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，機械品質因數高，居裏溫度高，相對介電常數低，電阻率高，介電擊穿強度高，諧振頻率的時間和溫度穩定性好。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。
鉍層陶瓷結構示意圖
（3）鈣鈦礦結構陶瓷
目前研究泛的晶體(ti) 結構為(wei) 鈣鈦礦結構，該類結構的化學式可寫(xie) 為(wei) ABO3型，其中A為(wei) 一價(jia) 或二價(jia) 金屬離子，而B為(wei) 四價(jia) 或五價(jia) 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於(yu) 晶胞格子的頂角，體(ti) 心和麵心。被廣泛應用研究主要有鈦酸鋇，鈦酸鉛，錯鈦酸鉛和 KxNa1-xNbO3等。
鈣鈦礦結構示意圖
五、壓電陶瓷的製備工藝
壓電陶瓷製備過程主要包括陶瓷原料粉體(ti) 的合成、成型、燒結、被電極和極化等幾個(ge) 主要過程。在這些過程中，伴隨著一係列的物理和化學變化。壓電陶瓷的性能與(yu) 材料的組分和製備工藝有直接的關(guan) 係，所以一整套穩定合理的工藝參數是獲得優(you) 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方法。小批量可采取幹磨，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(wei) 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(hui) 直接影響燒結條件及最終產(chan) 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(wei) 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，有利於(yu) 成型和致密。 |
成型 | 指在較高溫度下成型坯體(ti) 發生體(ti) 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、揮發而導致樣品胚體(ti) 在燒結過程中變形、開裂。 |
燒結成瓷 | 將坯體(ti) 加熱到足夠高的溫度但低於(yu) 熔點，使陶瓷坯體(ti) 體(ti) 積收縮、密度提高和強度增大的過程。 |
外形加工 | 將燒好的製品磨加工到所需要的成品尺寸。 |
被電極 | 在要求的陶瓷表麵設置上導電電極。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(nei) 部電疇定向排列，從(cong) 而使陶瓷具有壓電性能。 |
老化測試 | 陶瓷性能穩定後檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。 |
表1 各製備工藝簡介
六、壓電陶瓷材料的應用
由於(yu) 壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應，其在壓電傳(chuan) 感器、驅動器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。應用範圍覆蓋航空航天、軍(jun) 事、信息電子、工業(ye) 機械、醫療、汽車等眾(zhong) 多領域。壓電陶瓷具有性能高、成本低、易於(yu) 加工製備等特點，是目前壓電驅動器最主要的驅動材料。
壓電材料典型應用
總結
壓電效應技術以其*的優(you) 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(you) 異的壓電、介電和光電等電學性能，被廣泛地應用於(yu) 電子、航空航天、生物等高技術領域。隨著新興(xing) 領域的飛速發展和經濟社會(hui) 新的發展需求，未來對壓電陶瓷的性能會(hui) 有更高的要求。如：高居裏溫度、高機電耦合係數和機械品質因數及環保、無鉛、複合、納米壓電陶瓷必將成為(wei) 今後的研究重點。
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