让我们来聊聊“压电陶瓷”-推荐中科院系列压电D33测试仪
发布时间：2023/4/7 10:34:00让我们来聊聊“压电陶瓷”-推荐中科院系列压电D33测试仪
单板型压电陶瓷 图片来源：京瓷官网
陶瓷是古老中国的代名词，历史悠久，种类繁多。陶瓷从花瓶、碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶体的微观极化特性的发现。功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料，主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一。
中科院声学所ZJ-3系列压电D33系数测试仪是目前应用比较广泛的设备，加上PZT-JH10/4型压电陶瓷极化设备，PZT-JH30/3复合极化设备（块体+PVDF薄膜），ZJ-YP15型陶瓷压片机，ZT-4A型铁电测试仪，GWJDN-1000型高温介电温谱测试仪，这些都是构成了当前功能陶瓷的主要测试设备。
一、什么是压电陶瓷
压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，它呈现出 ABO3 型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。
二、什么又是压电效应
某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时﹐内部产生极化的同时﹐在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，此现象称为压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使其介质化﹐并使其表面荷电的效应。反之﹐当在晶体外部施加电场时，受电场影响的晶体会产生机械形变﹐称为逆压电效应。
正压电效应 逆压电效应
三、为什么能实现“压电”
压电陶瓷要有两个条件：一是晶粒有铁电性；二是经过强直流电场极化处理。所有的铁电单晶都具有压电效应，但是对于铁电陶瓷（陶瓷是多晶体）则需要经过高压直流极化处理。这是因为陶瓷内部的各晶粒虽然存在自发极化，具有铁电性，但是其自发极化电畴的取向是完全随机的，宏观上并不具有极化强度。在高压直流电场作用下电畴沿电场方向定向排列，而且在电场去除后，这种定向状态大部分能够被保留下来，所以陶瓷呈现压电效应。
压电陶瓷人工极化过程
四、压电陶瓷材料的分类
目前，压电陶瓷体系主要包括钨青铜结构、铋层状结构、钙钛矿结构三大类压电陶瓷材料。
（1）钨青铜结构陶瓷
钨青铜结构是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。该晶体也是由氧八面体以共顶点的形式联接而成的。氧八面体以共顶点的形式沿四重轴形成堆垛，各堆垛再以共顶点的形式联接起来。目前被广泛研究体系要有（SrxBa1-x）Nb2O6、(AxSr1-x)NaNb5O15 （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba2AgNb5O15等。
特点：具有自发极化强度大、居里温度较高（300℃左右）、介电损耗较低等优点，但是结温度较高，难于制备，而且温度稳定性较差。
钨青铜结构晶胞在（001）面的投影
（2）铋层状结构陶瓷
铋层状结构陶瓷是一种含Bi的有氧八面体的层状结构化合物铁电体。目前研究较多主要包括：Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15，SrBi2Nb2O9，及其改性的化合物等。
特点：电学性能各向异性明显，机械品质因数高，居里温度高，相对介电常数低，电阻率高，介电击穿强度高，谐振频率的时间和温度稳定性好。但是，此类陶瓷的缺点也很明矫顽场比较高，不容易极化，压电活性较低。
铋层陶瓷结构示意图
（3）钙钛矿结构陶瓷
目前研究最广泛的晶体结构为钙钛矿结构，该类结构的化学式可写为ABO3型，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金属。半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角，体心和面心。被广泛应用研究主要有钛酸钡，钛酸铅，错钛酸铅和 KxNa1-xNbO3等。
钙钛矿结构示意图
五、压电陶瓷的制备工艺
压电陶瓷制备过程主要包括陶瓷原料粉体的合成、成型、烧结、被电极和极化等几个主要过程。在这些过程中，伴随着一系列的物理和化学变化。压电陶瓷的性能与材料的组分和制备工艺有直接的关系，所以一整套稳定合理的工艺参数是获得优异材料性能的重要保证。
工艺名称 | 目的 |
配料 | 进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料 |
混合磨细 | 一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。 目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准条件。 |
预烧 | 在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。 |
二次磨细 | 将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细。为成瓷均匀性能一致打好基础。 |
造粒 | 使粘合剂更均匀，使成型样品的密度更均匀，排出颗粒间的空气，有利于成型和致密。 |
成型 | 指在较高温度下成型坯体发生体积收缩、密度提高和强度增加的过程。 |
排塑 | 防止因高温下的分解、挥发而导致样品胚体在烧结过程中变形、开裂。 |
烧结成瓷 | 将坯体加热到足够高的温度但低于熔点，使陶瓷坯体体积收缩、密度提高和强度增大的过程。 |
外形加工 | 将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 |
被电极 | 在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。 |
高压极化 | 使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。 |
老化测试 | 陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。 |
表1 各制备工艺简介
六、压电陶瓷材料的应用
由于压电陶瓷材料具有正逆压电效应，其在压电传感器、驱动器、换能器和滤波器等器件中得到了广泛的应用。应用范围覆盖航空航天、军事、信息电子、工业机械、医疗、汽车等众多领域。压电陶瓷具有性能高、成本低、易于加工制备等特点，是目前压电驱动器最主要的驱动材料。
压电材料典型应用
总结
压电效应技术以其特有的优势在能源需求不断增长的今天﹐得到了日益广泛的应用。其中压电陶瓷是一种重要的功能材料，具有优异的压电、介电和光电等电学性能，被广泛地应用于电子、航空航天、生物等高技术领域。随着新兴领域的飞速发展和经济社会新的发展需求，未来对压电陶瓷的性能会有更高的要求。如：高居里温度、高机电耦合系数和机械品质因数及环保、无铅、复合、纳米压电陶瓷必将成为今后的研究重点。