壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，因生產(chǎn)工藝和陶瓷相近而得名。它是將氧化物（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)和固相反應(yīng)制成的多晶極化處理而成的具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的總稱。壓電陶瓷具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的壓電性能，作為一種重要的力、熱、電、光敏功能材料，已廣泛應(yīng)用于傳感器、超聲波換能器、微位移器件等電子元件中。
壓電陶瓷的發(fā)展歷史 #
1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學(xué)的歷史。
1881年，居里兄弟實(shí)驗驗證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。
1842年-1949年，發(fā)現(xiàn)了BaTiO3壓電陶瓷上的高介電常數(shù)和鐵電性、壓電性。后續(xù)解決了極化問題。
50年代，美國日本先后利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲波換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器等的應(yīng)用研究。
1954年，美國B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了鋯鈦酸鉛（PZT）具有非常強(qiáng)和穩(wěn)定的壓電性，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大的向前推進(jìn)了一大步。
后來，為了保護(hù)地球和人類的生存空間，防止環(huán)境的污染，非鉛壓電陶瓷成為未來研究和應(yīng)用的方向。
迄今，壓電陶瓷的應(yīng)用，上至宇宙開發(fā)，下至家庭生活極其廣泛。
壓電陶瓷的基本概念 #
- 自發(fā)極化
120℃以下，BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)稍有畸變，為四方結(jié)構(gòu)，Ba2+Ti4+相對于O2-產(chǎn)生了一個位移，結(jié)果導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生了極化（自發(fā)極化），通常把這種轉(zhuǎn)變溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)（Tc）。
- 人工極化
人工極化就是在壓電陶瓷上加一足夠高的直流電場，并保持一定的溫度和時間，迫使其電疇轉(zhuǎn)向，或者說迫使其自發(fā)極化做定向排列。下圖示意陶瓷中電疇在極化處理前的變化情況。
- 鐵電陶瓷
某些材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化。而且其自發(fā)極化可以因外電場的作用而轉(zhuǎn)向，材料的這種特性稱為鐵電性。具有這種特性的陶瓷材料稱為鐵電陶瓷。
壓電陶瓷的原理：壓電效應(yīng)
壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)本質(zhì)是機(jī)械作用引起介質(zhì)極化；逆壓電效應(yīng)的本質(zhì)是電場作用引起介質(zhì)極化。
壓電陶瓷的制造 #
壓電陶瓷的制作過程主要步驟:配料-預(yù)處理-預(yù)燒-造粒-成型-燒成-機(jī)加工-上電極-極化-老化-測試。
原料 #
原料是制備壓電陶瓷的基礎(chǔ)。對于PZT來說它的主要原料為Pb3O4、ZrO2、TiO2。選擇原料一般應(yīng)注意其化學(xué)組成和物理狀態(tài)。對于原料的純度要求應(yīng)適度。高純度原料價格昂貴燒結(jié)溫度高，溫區(qū)窄。純度稍低的原料里面的雜質(zhì)可起礦化和助熔的作用，反而使燒結(jié)溫度降低，溫區(qū)增寬。但過于低純度的原料雜質(zhì)較多，不宜采用。
雜質(zhì) #
雜質(zhì)分為有害雜質(zhì)和有利雜質(zhì)。PZT摻雜改性分為等價取代和異價取代；異價取代中又可分軟性取代改性、硬性取代改性和其他取代改性。
等價取代 #
等價取代是指Ca2+、Sr2+、Mg2+、等半徑較Pb2+離子小的二價離子取代Pb2+離子，，結(jié)果使PZT陶瓷的介電常數(shù)ε增大↑，機(jī)電耦合系數(shù)KP增大↑，壓電常數(shù)d增大，從而提高PZT瓷的壓電性能。
異價取代 #
異價取代中的軟性取代改性是指在原料中加入一些添加物后能使矯頑場強(qiáng)Ec減小↓，極化容易，因而在電場或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。（燒成后的瓷體呈黃色）
異價取代中的硬性取代改價是指加入一些添加物后能使矯頑場強(qiáng)Ec增加↑，極化變難，因而在電場或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“硬”。（燒成后的瓷體呈黑色）
壓電陶瓷的應(yīng)用 #
壓電陶瓷的應(yīng)用十分廣泛。例如壓電引爆器、超聲波探測儀、壓電驅(qū)動器、壓電打火器、壓電轉(zhuǎn)換器、壓電陶瓷電扇、壓電式觸屏、超聲波倒車?yán)走_(dá)、壓電陶瓷繼電器等等都是運(yùn)用了壓電陶瓷。我司一般用PZT-4、PZT-8的壓電陶瓷，因為這兩類具有較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，適于大功率超聲發(fā)生器超聲加工、超聲清洗換能元件。
壓電陶瓷的市場 #
壓電陶瓷作為重要功能材料在電子領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。2000年全球壓電陶瓷銷售額約達(dá)30億美元，近年來，壓電陶瓷在全球每年銷售額按15%速度增長。為了保護(hù)地球防止環(huán)境的污染，2001年歐洲議會通過了關(guān)于“電器和電子設(shè)備中限制有害物質(zhì)”的法令，其中在被限制使用的物質(zhì)中就包含含鉛的壓電器件。目前國內(nèi)壓電陶瓷市場上的產(chǎn)品仍以傳統(tǒng)技術(shù)和生產(chǎn)方式進(jìn)行運(yùn)作，無鉛產(chǎn)品還沒形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，無鉛化正是行業(yè)內(nèi)主要努力方向。
