壓電陶瓷從原理到應用 

從物理效應到工業(yè)應用

"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）。后來，他們發(fā)現(xiàn)電場可以使壓電材料變形。這種效應被稱為"inverse piezoelectric effect"（逆壓電效應）。當科學家發(fā)現(xiàn)在施加電場時鈦酸鋇能在一個有效范圍內利用壓電特性，產(chǎn)業(yè)突破便伴隨著壓電陶瓷而來。壓電效應目前用于點火器、揚聲器和信號轉換器等多種日常用品。此外，由于內燃機中的壓電控制噴射閥減少了傳遞時間，大大改善了平滑度和廢氣質量，壓電促動器技術也在汽車技術中得到認可。

正、逆壓電效應

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，也稱發(fā)電機或傳感器效應，將機械能轉換為電能。反之，施加一定電壓時，逆壓電效應可以改變此類材料的長度。這種促動器效應將電能轉換成機械能。單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產(chǎn)生壓電效應。在單晶中，晶格晶胞的不對稱結構，即低于居里溫度TC 時形成的極軸，是產(chǎn)生這種效應的充分必要條件。此外，壓電陶瓷具有自發(fā)極化特性，即晶胞的正負電荷濃度相互分離。同時，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，陶瓷就會膨脹，極化場強將會減弱。這種效應一部分是因為晶格中離子的壓電位移，稱為內在效應。 外在效應是基于晶胞的可逆鐵電重定向。它隨著驅動場強度的增大而增大，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。

                              機電性能

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

這些關系僅適用于較小的電氣和機械振幅，即所謂的小信號值。在此范圍內，機械、彈性變形S或應力T和電場E或電通量密度D之間是線性關系，系數(shù)值是常數(shù)?？稍诓牧蠑?shù)據(jù)表中找到這些小信號系數(shù)。

動態(tài)行為

激發(fā)振蕩的壓電體的機電特性可用電氣等效電路圖表示。C0是指介質的電容。包含C1、L1和 R1的串聯(lián)電路描述了彈性變形、有效質量（慣性）和內部摩擦產(chǎn)生的機械損失等機械性能的變化。然而，此振蕩電路的描述僅適用于機械固有諧振附近的頻率。大多數(shù)壓電材料參數(shù)是通過對共振時的特殊試驗體進行阻抗測量來確定。串聯(lián)和并聯(lián)共振都被用來確定壓電參數(shù)，分別對應最小阻抗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體的幾何形狀、機械-彈性特征以及電場和極化的方向決定的。

壓電陶瓷是一種能將機械能和電能相互轉換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅動器、濾波器、電子點火器等方面有著廣泛的應用。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，能量轉換效率高，響應速度快，機械品質因子、壓電系數(shù)、機電耦合常數(shù)明顯優(yōu)于無鉛壓電陶瓷，被廣泛應用于壓電傳感及驅動領域，如超聲換能器等，對結構健康檢測、能量采集等領域具有重大意義。

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，很快獲得應用發(fā)展，至今仍用于制作聲吶裝置的振子和聲學計測裝置以及濾波器等，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，其機電耦合系數(shù)近于BaTiO3的一倍。在之后的30年間，PZT以其強又穩(wěn)定的壓電性能成為應用*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、振動模式的研究與開發(fā)利用以及器件制作技術的進步等因素，促使它在近十年來發(fā)展甚為迅速，應用日趨廣泛。

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，再進行預壓塊，最后將預壓塊研碎并過細篩。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）瓷件燒結和機械加工

干壓成型后的坯件，需要通過高溫燒結才能成瓷。燒結是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長的過程，過高的燒結溫度使陶瓷晶粒生長過大或組織結構不均勻，而燒結溫度過低則會導致晶粒發(fā)育不*，這些都會導致PZT壓電陶瓷元件的壓電性能受到影響。

（3）上電極

PZT壓電陶瓷元件兩級間需要有金屬電極才能導電，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、化學沉銀和化學沉銅等。

（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。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、極化溫度和極化時間。只有在極化電場作用下，電疇才能沿電場方向取向排列，極化電場越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越完善。

PZT壓電陶瓷的應用

近年來，PZT壓電陶瓷在包括但不限于以下幾個方面得到了應用：

（1）高位移新型壓電制動器

（2）壓電變壓器

（3）用于主動減震和降噪的壓電器件

（4）醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器