特种陶瓷第五讲 压电陶瓷

简述压电陶瓷压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。

与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。

它具有压电效应。

所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。

前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。

目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。

由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。

一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。

由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。

压电陶瓷及导电陶瓷「压电陶瓷」和「导电陶瓷」是21世纪的新兴电子材料，它们的来源广泛，而且就在我们的周遭环境中。

它们具有性能稳定、强度高、耐腐蚀和耐高温的特性，在光、电、磁、声等方面有特殊的应用。

可以进行能量转换压电陶瓷是一种可以使电能和机械能相互转换的特殊陶瓷材料。

它主要是藉由烧结而形成的一种多晶材料，与普通的单晶压电材料相比，有相当多的优点，例如价格低廉、容易加工成各种不同形状的组件、能大量生产等，因此颇受人们的青睐。

压电陶瓷是由许多粒径在几个微米左右的小晶粒所组成，主要成分是铅、钛和锆的氧化物。

在烧结的制备过程中，这些小晶粒在高压电场的作用下，会有规则地排列而带有压电性。

虽然压电陶瓷的种类很多，但比较有发展前途的是钛酸钡和锆钛酸铅的压电陶瓷。

除此之外，一些多成分的复合型压电陶瓷，像是锆钛酸铅镧等，不仅有良好的压电性能，还可以做成透明压电陶瓷，使得压电陶瓷的应用可以推广到光电领域中。

因此，它们也是一种很有应用潜力的新型压电陶瓷材料。

压电陶瓷的主要功能是使得机械能与电能可以相互转换。

对压电陶瓷施加压力时，它就会产生电位差;如果对压电陶瓷施加电压，它就会产生机械应力。

如果对压电陶瓷施加一个高频振动，它就会产生高频电流;如果在压电陶瓷上施加高频的电讯号，它就会产生高频的机械振动。

压电陶瓷的一种应用是利用它把机械能转换成电能，而制成高压电源，使用在点火、触发、引爆等目的上，例如煤气炉的自动点火装置，就是利用这个原理制成的。

在这装置内，有一块压电陶瓷，当转动按钮时，一支被强力弹簧控制的撞击针会击打在压电陶瓷上，瞬间放出高达几万伏特的火花，点燃气阀中喷出的锥形气流。

这种点火装置的点火次数可以达到10万次以上，使用寿命可以达到20~30年之久。

压电陶瓷的另一种应用是把电能转换成机械能。

例如设计师通常在儿童的电子玩具小动物的肚子里，装上用压电陶瓷做成的蜂鸣器。

当电源接通后，压电陶瓷便在电压作用下变形而产生振动，进而发出人耳可以听到的声音，像是玩具小狗发出「汪汪」的叫声，或玩具小猫发出「喵喵」的叫声。

划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”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。

单板型压电陶瓷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。

压电效应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。

正压电效应逆压电效应为什么能实现“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。

结课论文开题报告2014 年4月 13日特种陶瓷的力学性能与压电陶瓷的结构原理和性能参数引言： 随着新技术革命的，功能陶瓷愈来愈受到世界各国的重视，品种日益增多，应用也愈来愈普遍。

几乎在工业、宇航、军工等所有的领域都可以找到特种题 目: 特种陶瓷的力学性能与压电陶瓷的结构原理和性能参数学 院： 化学工程学院专业班级： 材料化学112班学生姓名： 顾鹏 学 号： 2011121272 指导教师：陶瓷的应用。

应该指出，许多陶瓷都具有十分优异的综合性能。

摘要：特种陶瓷是发展高新技术的物质基础，也是改造传统产业的必备条件，因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域之一。

特种陶瓷是新材料的一个组成部分，由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、声、光等物理特点，它在国民中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料，在国防现代化建设中，武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。

除此之外，在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时，以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发也必然对改善人类生存环境，实施可持续发展战略起到积极的推动作用。

Abstract: special ceramics is the material basis for the development of high technology, is the transformation of traditional industries essential condition, so the materials science is listed as the six major high-tech fields. Special ceramics is a part of the new material, because it has excellent resistance to various other materials do not have, high temperature resistance, high strength, light weight, corrosion resistance, wear resistance, excellent electrical, magnetic, acoustic, optical and other physical characteristics, it is in the national energy, electronics, aerospace, machinery, automobile, metallurgy and biological aspects have broad application prospects, has become the industry technology is the key technology in the essential material, in the modernization of national defense construction, the development of weapons and equipment also cannot do without special ceramic materials. In addition, the environmental protection as an important consideration in the world, with environmental protection, life optimization as the background of the environmental research and development of functional ceramics are bound to improve human living environment, implementing the strategy of sustainable development plays a positive role in promoting.关键词：特种陶瓷、压电陶瓷、性能1特种陶瓷定义特种陶瓷又称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大 ... 在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过1360度左右高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能。

流延成型：将粉体加入粘合剂混合成浆料，再把浆料放入流延机的料斗中，流经薄膜载体上，形成膜坯。

梯度陶瓷材料：在同一材料内不同方向上由一种功能逐渐连续分布为另一种功能的材料称为梯度材料。

生物活性陶瓷：能在材料界面上诱发特殊生物反应，从而在材料和组织间形成化学键性结合的生物陶瓷。

功能陶瓷：指具有电、磁、光、超导、声、生物、化学（答出7个中的5个）等及其功能转换的陶瓷。

压电陶瓷：由机械能转变为电能或电能转变为机械能的某些陶瓷微裂纹增韧：陶瓷材料中存在许多小于临界尺寸的微纹，这些微裂纹在负载作用下是非扩展性的，但大的裂纹在扩展中遇到这些裂纹时，使扩展裂纹转向，吸收能量，起到提高韧性的作用，称为微裂纹增韧。

反应烧结：通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，从而使坯体质量增加，孔隙减小，并烧结成为具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。

PTC陶瓷：具有正的温度系数的陶瓷材料（或随温度升高，陶瓷材料的电阻率增大的陶瓷材料）热释电陶瓷：因温度而引起表面电荷变化的陶瓷（某些陶瓷）。

表面强化韧化：由于氧化锆四方晶向单斜晶转变产生的体积膨胀，从而使表面产生压应力，起到强化和韧化的作用。

低膨胀陶瓷材料：指膨胀系数的绝对值小于2×10-6/℃的陶瓷材料。

敏感陶瓷材料：当作用于由这些材料制造的元件上的某一个外界条件，如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这种元件上准确迅速地获得有用的信号。

反应烧结：通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，坯体质量增加，孔隙率减小，并烧结成为具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。

压电效应：向压电陶瓷施加机械应力或电场后，在压电陶瓷的表面出现电荷或陶瓷沿极化方向发生形变，这种现象称为压电效应。

PTC效应：正温度系数效应，即陶瓷材料的体积电阻率随温度升高而升高的特性。

具缓变型、突变型等等。

人工极化：人工极化就是在电场作用下使材料内的电畴沿电场方向取向的过程，其结果是材料内部的正负电荷中心产生偏离而出现极化。

一. 概述压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。

某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。

晶体的这种性质称为压电性。

压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。

几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。

1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。

前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。

1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。

这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。

1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。

BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。

1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO -PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。

此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。

我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。

二. 压电陶瓷压电性的物理机制压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。