一、概述
壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體,由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似(原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié))因而得名。
某些各向異性的晶體,在機(jī)械力作用下,產(chǎn)生形變,使帶電粒子發(fā)生相對(duì)位移,從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。晶體的這種性質(zhì)成為壓電性。壓電性是J·居里和P·居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。幾個(gè)月后他們又用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng),即給晶體施加電壓時(shí),晶體會(huì)產(chǎn)生幾何形變。
1940年以前,只知道兩類鐵電體(在某溫度范圍內(nèi)不僅具有自發(fā)操化,而且自發(fā)極化強(qiáng)度的發(fā)向能因外場(chǎng)強(qiáng)作用而重新取向的晶體):一類是羅息鹽和某些關(guān)系密切的酒石酸;一類是磷酸二氫鉀鹽和它的同名型物。前者在常溫下壓電性,技術(shù)上有使用價(jià)值,但有易溶解的缺點(diǎn);后者要在低溫(低于—14 C)下才有壓電性,工程使用價(jià)值不大。
1942-1945年間發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇(BaTiO )具有異常高的介電常數(shù),不久又發(fā)現(xiàn)它具有壓電性,鈦酸鋇壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)是在壓電材料的一個(gè)飛躍。這以前只有壓電單晶材料,此后出現(xiàn)了壓電多晶體材料—壓電陶瓷,并獲得廣泛應(yīng)用。1947年美國(guó)用鈦酸鋇陶瓷制造留聲機(jī)用拾音器,日本比美國(guó)晚用兩年。鈦酸鋇存在壓電性比羅息鹽弱和壓電性隨溫度變化比石英晶體大的缺點(diǎn)。
1954年美國(guó)B·賈菲等人發(fā)現(xiàn)了壓電PbZrO -PbTiO (PZT)固溶體系統(tǒng),這是一個(gè)劃時(shí)代大事,使在BaTiO 時(shí)代不能制作的器件成為可能。此后又研制出PLZT透明壓電陶瓷,使壓電陶瓷的應(yīng)用擴(kuò)展到光學(xué)領(lǐng)域。
迄今,壓電陶瓷的應(yīng)用,上至宇宙開發(fā),下至家庭生活極其廣泛。
我國(guó)對(duì)壓電陶瓷的研發(fā)始于五十年代末期,比國(guó)外晚十年左右,目前在壓電陶瓷的試制、工業(yè)生產(chǎn)等方面都已有相當(dāng)雄厚的力量,由不少材料已達(dá)到或接近國(guó)際水平。
二、壓電陶瓷電性的物理機(jī)制
壓電陶瓷是一種多晶體,它的壓電性可由晶體的壓電性來解釋,晶體在機(jī)械力作用下,總的電偶極具文(極化)發(fā)生變化,從而呈現(xiàn)壓電現(xiàn)象,因此壓電性與極化,形變等有密切關(guān)系。
1、極化的微觀機(jī)理
極化狀態(tài)時(shí)電場(chǎng)對(duì)電介質(zhì)的荷電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的作用力與電荷間互相吸引力的暫時(shí)平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機(jī)理主要有三種。
(1)電子位移極化——電介質(zhì)的原子或離子在電場(chǎng)力作用下,帶正電原子核與殼層電子的負(fù)電荷中心出現(xiàn)不重合。
(2)離子位移極化——電介質(zhì)正、負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下發(fā)生相對(duì)位移,從而長(zhǎng)生電偶極矩。
(3)取向極化——組成電介質(zhì)的有機(jī)分子,有一定的本征(固有)電矩,由于熱運(yùn)動(dòng),取向無序,總電矩為零,當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí),電偶極矩沿電場(chǎng)方向排列,出現(xiàn)宏觀電偶極矩。
對(duì)于各向異性晶體,極化強(qiáng)度與電場(chǎng)存在有如下關(guān)系 m,n=1,2,3
式中 為極化率,或用電位移寫成:
2. 壓電效應(yīng)
(1)正壓電效應(yīng)
壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí),正、負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移,在某些相對(duì)應(yīng)的面上產(chǎn)生異號(hào)電荷,出現(xiàn)極化強(qiáng)度。這種沒有電場(chǎng)作用,由形變產(chǎn)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。
對(duì)于各向異性晶體,對(duì)晶體施加應(yīng)力 ;(相應(yīng)的應(yīng)變 )時(shí),晶體將在X,Y,Z三個(gè)方向出現(xiàn)與
成正比的極化強(qiáng)度, 即:
式中
, 分別稱為壓電應(yīng)力常數(shù)與壓電應(yīng)變常數(shù)。
(2)逆壓電效應(yīng)
當(dāng)給晶體施加一電場(chǎng)時(shí),不僅產(chǎn)生了極化,同時(shí)還產(chǎn)生形變,這種由電場(chǎng)產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。這是由于晶體受電場(chǎng)作用時(shí),在晶體內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力(壓電應(yīng)力),通過應(yīng)力作用產(chǎn)生壓電應(yīng)變。存在如下關(guān)系
或
式中 和 分別為d和e的轉(zhuǎn)量矩。
3.壓力效應(yīng)的機(jī)理
壓電效應(yīng)首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的,現(xiàn)在我們以水晶晶體為模型,說明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。
當(dāng)不施以壓力時(shí),水晶晶體正、負(fù)電荷中心如圖5-1(a) 分布,設(shè)這時(shí)正、負(fù)電荷中心重合,整個(gè)晶體的總電矩等于零,晶體表面不荷電(不呈壓電性)。
當(dāng)沿x方向施加壓力 時(shí),晶體發(fā)生形變,正、負(fù)電荷中心分離,即電偶極發(fā)生變化,從而在X面上出現(xiàn)電荷積累,如圖5-1(b)所示。
當(dāng)沿Y軸方向施加壓力 時(shí),晶體形變正、負(fù)電荷中心的分布如圖5-1(c)此示,這時(shí)總的電偶極距發(fā)生變化并在X面上引起與前面相反符號(hào)的電荷積累。 顯然,用伸拉力代替前面的壓縮力,則表明電荷的符號(hào)反過來??傊?,對(duì)具有壓電性的晶體施加壓力時(shí),可能引起壓電效應(yīng)。