壓電陶瓷從原理到應(yīng)用 

從物理效應(yīng)到工業(yè)應(yīng)用

"piezo"（壓電）一詞是從希臘語中的“壓力”一詞派生而來的。1880年，雅克.保羅.居里和皮埃爾.居里發(fā)現(xiàn)施加壓力能在石英、電氣石等多種晶體中產(chǎn)生電荷，他們將這種現(xiàn)象稱為"piezoelectric effect"（壓電效應(yīng)）。后來，他們發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可以使壓電材料變形。這種效應(yīng)被稱為"inverse piezoelectric effect"（逆壓電效應(yīng)）。當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在施加電場(chǎng)時(shí)鈦酸鋇能在一個(gè)有效范圍內(nèi)利用壓電特性，產(chǎn)業(yè)突破便伴隨著壓電陶瓷而來。壓電效應(yīng)目前用于點(diǎn)火器、揚(yáng)聲器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器等多種日常用品。此外，由于內(nèi)燃機(jī)中的壓電控制噴射閥減少了傳遞時(shí)間，大大改善了平滑度和廢氣質(zhì)量，壓電促動(dòng)器技術(shù)也在汽車技術(shù)中得到認(rèn)可。

正、逆壓電效應(yīng)

在壓電材料表面施加壓力可以產(chǎn)生電荷。這種直接壓電效應(yīng)，也稱發(fā)電機(jī)或傳感器效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。反之，施加一定電壓時(shí)，逆壓電效應(yīng)可以改變此類材料的長(zhǎng)度。這種促動(dòng)器效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在單晶中，晶格晶胞的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即低于居里溫度TC 時(shí)形成的極軸，是產(chǎn)生這種效應(yīng)的充分必要條件。此外，壓電陶瓷具有自發(fā)極化特性，即晶胞的正負(fù)電荷濃度相互分離。同時(shí)，晶胞的軸線沿自發(fā)極化。

極化壓電陶瓷的膨脹

一旦施加電場(chǎng)，陶瓷就會(huì)膨脹，極化場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)減弱。這種效應(yīng)一部分是因?yàn)榫Ц裰须x子的壓電位移，稱為內(nèi)在效應(yīng)。 外在效應(yīng)是基于晶胞的可逆鐵電重定向。它隨著驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，是鐵電壓電陶瓷大部分非線性遲滯和漂移特性的原因所在。

                              機(jī)電性能

極化壓電材料可由若干種系數(shù)和關(guān)系進(jìn)行定性。 
電氣和彈性特性之間的基本關(guān)系可以用如下簡(jiǎn)化公式表示：

這些關(guān)系僅適用于較小的電氣和機(jī)械振幅，即所謂的小信號(hào)值。在此范圍內(nèi)，機(jī)械、彈性變形S或應(yīng)力T和電場(chǎng)E或電通量密度D之間是線性關(guān)系，系數(shù)值是常數(shù)。可在材料數(shù)據(jù)表中找到這些小信號(hào)系數(shù)。

動(dòng)態(tài)行為

激發(fā)振蕩的壓電體的機(jī)電特性可用電氣等效電路圖表示。C0是指介質(zhì)的電容。包含C1、L1和 R1的串聯(lián)電路描述了彈性變形、有效質(zhì)量（慣性）和內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的機(jī)械損失等機(jī)械性能的變化。然而，此振蕩電路的描述僅適用于機(jī)械固有諧振附近的頻率。大多數(shù)壓電材料參數(shù)是通過對(duì)共振時(shí)的特殊試驗(yàn)體進(jìn)行阻抗測(cè)量來確定。串聯(lián)和并聯(lián)共振都被用來確定壓電參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)最小阻抗fm和最大阻抗fn的充分逼近值。

壓電陶瓷元件的振蕩狀態(tài)

振蕩狀態(tài)或模式與變形是由個(gè)體的幾何形狀、機(jī)械-彈性特征以及電場(chǎng)和極化的方向決定的。

壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅(qū)動(dòng)器、濾波器、電子點(diǎn)火器等方面有著廣泛的應(yīng)用。鋯鈦酸鉛（Pb(Zr1-xTiO3)，PZT）陶瓷具有優(yōu)良的壓電、介電性能。由于其穩(wěn)定性好，精度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，機(jī)械品質(zhì)因子、壓電系數(shù)、機(jī)電耦合常數(shù)明顯優(yōu)于無鉛壓電陶瓷，被廣泛應(yīng)用于壓電傳感及驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，如超聲換能器等，對(duì)結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、能量采集等領(lǐng)域具有重大意義。

PZT壓電陶瓷的發(fā)展歷程

1942年人們發(fā)現(xiàn)了BaTiO3的壓電性，由于其介電常數(shù)較高，很快獲得應(yīng)用發(fā)展，至今仍用于制作聲吶裝置的振子和聲學(xué)計(jì)測(cè)裝置以及濾波器等，但因存在頻率溫度穩(wěn)定性欠佳等問題。

1954年美國(guó)的研究人員發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷具有良好的壓電性能，其機(jī)電耦合系數(shù)近于BaTiO3的一倍。在之后的30年間，PZT以其強(qiáng)又穩(wěn)定的壓電性能成為應(yīng)用*的壓電材料，該種材料的出現(xiàn)使得壓電器件從傳統(tǒng)的換能器及濾波器擴(kuò)展到引燃裝置、電壓變壓器及壓電發(fā)電裝置等。如果把BaTiO3作為單元系壓電陶瓷的代表，那么PZT可作為二元系壓電陶瓷的代表。PZT壓電陶瓷由于它的性能參數(shù)多樣性、振動(dòng)模式的研究與開發(fā)利用以及器件制作技術(shù)的進(jìn)步等因素，促使它在近十年來發(fā)展甚為迅速，應(yīng)用日趨廣泛。

PZT壓電陶瓷的制備流程

（1）坯體制備

采用干壓成型的方式制備坯件，干壓成型前應(yīng)先將粉料造粒，即在粉料中加入占料中約5%的黏合劑，攪拌均勻并過篩，再進(jìn)行預(yù)壓塊，最后將預(yù)壓塊研碎并過細(xì)篩。造粒的目的不僅使黏合劑更加均勻地分布在粉料中，而且由于顆粒本身已經(jīng)壓緊，壓料中空氣又少，并較易排出，因此利于成型，成型樣品密度更加均勻。

（2）瓷件燒結(jié)和機(jī)械加工

干壓成型后的坯件，需要通過高溫?zé)Y(jié)才能成瓷。燒結(jié)是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長(zhǎng)的過程，過高的燒結(jié)溫度使陶瓷晶粒生長(zhǎng)過大或組織結(jié)構(gòu)不均勻，而燒結(jié)溫度過低則會(huì)導(dǎo)致晶粒發(fā)育不*，這些都會(huì)導(dǎo)致PZT壓電陶瓷元件的壓電性能受到影響。

（3）上電極

PZT壓電陶瓷元件兩級(jí)間需要有金屬電極才能導(dǎo)電，發(fā)揮壓電性。傳統(tǒng)的上電極方法有很多種，如燒滲銀層、真空蒸鍍、化學(xué)沉銀和化學(xué)沉銅等。

（4）極化

PZT壓電陶瓷元件上電極后，需要經(jīng)過極化才能顯示壓電效應(yīng)。要使壓電陶瓷得到完善的極化，充分發(fā)揮其壓電性能就必須合理地選擇極化條件，即極化電場(chǎng)、極化溫度和極化時(shí)間。只有在極化電場(chǎng)作用下，電疇才能沿電場(chǎng)方向取向排列，極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越完善。

PZT壓電陶瓷的應(yīng)用

近年來，PZT壓電陶瓷在包括但不限于以下幾個(gè)方面得到了應(yīng)用：

（1）高位移新型壓電制動(dòng)器

（2）壓電變壓器

（3）用于主動(dòng)減震和降噪的壓電器件

（4）醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器