铁电、压电陶瓷及其应用

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1、铁电、压电陶瓷及其应用在天然水晶（α石英晶体）的晶片上，若沿一定方向施加压力后，它的相应的两个面上就会带电（图1），这就是把机械能（压力）转变成了电能；相反，若将晶片放入交变电场中，晶片就会产生相应的形变而引起振动，也就是说把电能转变成了机械能。这种机械能与电能相互转换的现象就叫压电效应，机械能转变为电能为正压电效应，电能转变为机械能为逆压电效应。压电效应这种现象是1880年由法国的P-居里和J－居里兄弟首先发现的。具有这种效应的晶体叫做压电晶体。1894年，科学家沃伊特(Voigt)根据压电晶体的结构特征提出，在32种点群的晶体中，只有2

2、0种非中心对称点群的晶体才有压电效应。在正压电效应中，单位面积产生的电荷数与应力成正比；在逆压电效应中，应变与电场强度成正比。 由图1可知，水晶晶体在不受力时，其正电荷中心与负电荷中心重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面不带电（图1a）.当晶体受力时,由于形变而导致正负电荷中心不再重合,晶体两端表面就带电了(图1b为受压,图1c为受拉),这种正负电荷中心不重合的现象叫做极化.也有少数压电晶体由于本身内部的特殊结构,在没有外电场的情况下就存在着极化现象,这样的极化为自发极化.这种具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域,称为电畴

3、.当其被放入电场中后,原来随机混乱取向的电畴就会沿电场方向取向,若电场再反向,自发极化单元也会跟着反向,其极化与电场的关系见图２,是一根回线,称之为电滞回线,与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为铁电体(其实晶体中并不含有铁),这个回线就是铁电体的标志.显然,铁电体是压电体中的一种。   自然界中具有压电效应的压电晶体很多,但往往成为陶瓷材料以后不呈现压电性能,这主要是因为陶瓷是一种多晶体,由于其中各细小晶粒的紊乱取向,因而各晶粒间压电效应会互相抵消,宏观不呈现压电效应。铁电陶瓷中虽存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向杂乱因此宏

4、观无极性。若将铁电陶瓷预先经强直流电场作用，使各晶粒的自发极化方向都择优取向成为有规则的排列（这一过程称为人工极化），当直流电场去除后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度，则陶瓷材料宏观具有极性，也就具有了压电性能。因此，铁电陶瓷只有经过"极化"处理，才具有压电性。压电陶瓷一般是铁电体，只有铁电陶瓷才能在外场作用下，使自发极化单元运动转向，达到"极化"的目的，成为压电陶瓷，因而把这类陶瓷称为铁电、压电陶瓷。   20世纪40年代人们首先制造成功钛酸钡（BaTiO3）铁电压电陶瓷，近年来，又有许多新型铁电压电陶瓷相继问世，如锆钛酸铅(Pb(Ti

5、.Zr)O3-PZT)、铌酸盐陶瓷等。与铁电压电晶体相比，铁电压电陶瓷具有制备容易、化学成份可进行调整,能做成任意形状的制品等优点，所以铁电压电陶瓷的用途极其广泛。ABO3型钙钛矿结构。图3是BaTiO3在120℃以上的结构,为立方结构，无铁电性。120℃以下，晶体结构稍有畸变，为四方结构，Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果沿C轴方向正负电荷中心不重合，产生了极化，通常把这种转变温度称为居里温度或居里点。居里点以上，晶体无铁电性，居里点以下晶体处于铁电态。实验发现120℃到5℃自发极化沿C轴[001]方向；5℃到-80℃为斜

6、方晶系，自发极化沿[011]方向，-80℃以下为菱形结构，自发极化沿[111]方向。   绝大多数的压电陶瓷材料(如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Zr1-xTix)O3)的晶体结构是   压电陶瓷的应用十分广泛，最典型的应用是蜂鸣器和安全报警器，把陶瓷素坯轧成象纸一样的薄片烧成后，在它的两面做上电极，然后极化，这样陶瓷就具有压电性了，然后再把它与金属片粘合在一起，就做成一个蜂鸣器。当电极通电时，压电陶瓷因逆压电效应产生振动，发出人耳可以听到的声音。通过电子线路的控制，就可产生不同频率的振动，从而发出不同的声音，蜂鸣器最早用在电子玩具上，

7、现在还被用于消防车、救护车、保险柜等处作为报警器。利用压电陶瓷能把机械能转变成电能的特性，还可以做成"陶瓷耳"。一般地震前由于地壳内部的异常运动会发出地声，陶瓷耳可把听到的声音变成电信号输入计算机，这样就可以通过监听地声来预报地震。