壓電陶瓷是鈦酸鋇系列、鈦酸鉛－鋯酸鉛二元體系和向二元體系中加入第三種ABO3 3(a代表二價(jià)金屬離子，B代表四價(jià)金屬離子或幾個(gè)離子之和為正四價(jià))型化合物，如：Pb(Mn1/3)Nb2/3)O3和Pb(CO1/3Nb2/3)O3等組成的三元體系。如果將第四種或更多種化合物加入到三元體系中，可以形成四元或多元壓電陶瓷。此外，還有鈮酸鹽壓電陶瓷，如氧化鈉(鉀)氧化鈮(Na0.5·K0.5·NbO3)和氧化鋇（鍶）氯化鈮(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等等，它們不含鉛，有利于環(huán)保。

壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種具有壓電性能的電子陶瓷材料. 和沒有鐵電元件的典型壓電應(yīng)時(shí)晶體之間的主要區(qū)別在于：構(gòu)成其主要成分的晶相是鐵電顆粒.因?yàn)樘沾墒蔷哂须S機(jī)取向晶粒的多晶聚集體，所以每個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是隨機(jī)取向的. 為了使陶瓷表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，需要將壓電陶瓷燒成后放入強(qiáng)DC電場(chǎng)中極化處理，并在端面覆蓋復(fù)合電極，使原來無序的極化矢量?jī)?yōu)先沿電場(chǎng)方向取向. 壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后，電場(chǎng)取消后會(huì)保留一定的宏觀剩余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有一定的壓電性能。

1880年，居里兄弟首次發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電的歷史。

1881年居里兄弟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，給出了應(yīng)時(shí)相同的正負(fù)壓電常數(shù)。

1894年，Voigt指出，只有二十種沒有對(duì)稱中心的點(diǎn)群的晶體才有壓電效應(yīng)應(yīng)時(shí)是壓電晶體的代表，并得到了應(yīng)用。

第一次世界大戰(zhàn)中，居里夫人的繼承者朗之萬首先利用應(yīng)時(shí)的壓電效應(yīng)，制成了用于探測(cè)潛艇的水下超聲波探測(cè)器，從而揭開了壓電應(yīng)用史上的一個(gè)篇章。

壓電陶瓷片

鈦酸鋇陶瓷在二戰(zhàn)中被發(fā)現(xiàn)，壓電材料及其應(yīng)用取得了劃時(shí)代的進(jìn)展。

1946年，美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，給鈦酸鋇鐵電陶瓷施加一個(gè)DC高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化優(yōu)先沿電場(chǎng)方向取向，去掉電場(chǎng)后仍能保持一定的殘余極化，使其具有壓電效應(yīng)，壓電陶瓷由此誕生。

1947年，美國(guó)的Roberts對(duì)BaTiO 3陶瓷施加高電壓進(jìn)行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓特性隨后，日本積極開發(fā)利用BaTiO 3壓電陶瓷制作超聲波換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應(yīng)用研究一直持續(xù)到50年代中期。

1955年，美國(guó)b.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了壓電性能優(yōu)于BaTiO3的PZT壓電陶瓷，極大地促進(jìn)了壓電器件的應(yīng)用研究。隨著PZT的出現(xiàn)，一些在BaTiO3時(shí)代難以應(yīng)用的應(yīng)用，尤其是壓電陶瓷濾波器和諧振器，利用聲表面波，迅速投入實(shí)際使用（SAW）的濾波器、諸如延遲線和振蕩器之類的SAW器件也是在20世紀(jì)70年代后期實(shí)現(xiàn)的。

常用的壓電陶瓷是鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛二元系統(tǒng)和向二元系統(tǒng)添加第三ABO3(a代表二價(jià)金屬離子，B代表四價(jià)金屬離子或幾個(gè)離子之和為正四價(jià)）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元體系。如果將第四種或更多種化合物加入到三元體系中，可以形成四元或多元壓電陶瓷。此外，還有一種偏鈮酸鹽壓電陶瓷，如偏鈮酸鉀鈉（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏鈮酸鍶鋇（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等等，它們不含鉛，有利于環(huán)保。

介電和彈性性能

壓電陶瓷的介電性能反映了陶瓷材料對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)程度，通常用介電常數(shù)ε0來表示。當(dāng)外電場(chǎng)不太大時(shí)，電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)可以是線性的：

p是極化強(qiáng)度， ε0是真空介電常數(shù)，極化率，E是外加電場(chǎng)。壓電陶瓷元件的不同用途要求壓電陶瓷具有不同的介電常數(shù)。比如音頻元件如 壓電陶瓷揚(yáng)聲器，要求陶瓷的介電常數(shù)較大，而高頻壓電陶瓷元件要求材料的介電常數(shù)較小。

壓電陶瓷的彈性系數(shù)是反映陶瓷變形與作用力之間關(guān)系的參數(shù)。壓電陶瓷材料，像其他彈性體一樣，遵循虎克 s定律: xmn=cmnpqxmnpq，其中cmnpq稱為彈性體的彈性硬度常數(shù)， X 為應(yīng)力，x為應(yīng)變。對(duì)于壓電體，由于壓電效應(yīng)，彈性系數(shù)的值與電邊界條件有關(guān)。

壓電陶瓷的壓電性能

壓電陶瓷最大的特點(diǎn)就是壓電性， 包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指在機(jī)械外力作用下，某些電介質(zhì)中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的極化，導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。外力不太大時(shí)， 的電荷密度與外力成正比， 遵循公式：

其中，δ是表面電荷密度， d是壓電應(yīng)變常數(shù)，t是拉伸應(yīng)力。相反，當(dāng)向壓電電介質(zhì)施加外電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移和極化，電介質(zhì)由于這種位移而變形，稱為逆壓電現(xiàn)象。當(dāng)電場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí)，形變與外電場(chǎng)成線性關(guān)系， 遵循公式：

Dt是逆壓電應(yīng)變常數(shù)， 是D的轉(zhuǎn)置矩陣， E是施加的電場(chǎng)， x是應(yīng)變。壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱反映了晶體的彈性性質(zhì)和介電性質(zhì)之間的耦合程度，用機(jī)電耦合系數(shù)K來表示， 遵循公式:

其中u12為壓電能， u1為彈性能， u2為介電能。

壓電特性的物理機(jī)制

極化的壓電陶瓷片兩端會(huì)出現(xiàn)束縛電荷，所以電極表面會(huì)吸附一層來自外界的自由電荷。當(dāng)外部壓力F施加到陶瓷片上時(shí)，放電將發(fā)生在陶瓷片的兩端。反之，拉力會(huì)導(dǎo)致帶電。這種機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電效應(yīng)的現(xiàn)象屬于正壓電效應(yīng)。

另外， 壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì)，在外加電場(chǎng)的作用下， 自發(fā)極化可以發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，當(dāng)給壓電介質(zhì)施加一個(gè)外電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生如圖所示的變化， 壓電陶瓷就會(huì)變形。而 壓電陶瓷之所以會(huì)變形，是因?yàn)?nbsp;在施加類似自發(fā)極化的外電場(chǎng)時(shí)，相當(dāng)于增強(qiáng)了極化強(qiáng)度。隨著極化強(qiáng)度的增加，壓電陶瓷片在極化方向上伸長(zhǎng)。相反，如果施加反向電場(chǎng)，陶瓷片將在極化方向上縮短。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械效應(yīng)的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。

其他特性

壓電陶瓷具有敏感特性，可將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等。壓電陶瓷對(duì)外力很敏感，以至于它甚至能感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍動(dòng)翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)用它制作壓電地震儀，可以精確測(cè)量地震強(qiáng)度，指示地震的方向和距離。這是壓電陶瓷的偉大成就。

壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的變形很小，最多不超過自身尺寸的十分之一唐 不要小看這個(gè)小小的變化，基于這個(gè)原理的精密控制機(jī)構(gòu)就做出來了－壓電致動(dòng)器，用于控制精密儀器和機(jī)械、微電子技術(shù)、生物工程和其他領(lǐng)域是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制器件是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它具有頻率穩(wěn)定度好精度高適用頻率范圍寬體積小等優(yōu)點(diǎn)、不吸潮、使用壽命長(zhǎng)，特別是在多路通信設(shè)備中，可以提高抗干擾性，使以前的電磁設(shè)備無法與之相比而面臨被取代的命運(yùn)。

首先，讓我們 讓我們來看看一種新型自行車減震控制器的工作原理普通阻尼器很難達(dá)到穩(wěn)定的效果這種ACX阻尼控制器通過使用壓電材料首次提供了連續(xù)可變的阻尼功能。傳感器以每秒50次的速度監(jiān)控沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)如果活塞移動(dòng)很快，通常是在不平的地面上行駛造成的快速?zèng)_擊，需要啟動(dòng)最大減震功能；如果活塞移動(dòng)緩慢，說明路面平坦，只需要微弱的減震作用。綜上所訴：壓電陶瓷是矢量轉(zhuǎn)換材料力-電電-力初級(jí)機(jī)電轉(zhuǎn)換，典型應(yīng)用：壓電點(diǎn)火稱重傳感主電源轉(zhuǎn)換：制動(dòng)器致動(dòng)器電力-力-形變-振動(dòng)-聲波-電聲-超聲等形變-位移-檢測(cè)電-力-電學(xué)，壓電變壓器等等~可以說壓電陶瓷雖然是新材料，但是相當(dāng)平民化。用在高科技上，但更多的是服務(wù)于生活中的人，創(chuàng)造更好的生活。壓電陶瓷的主要原料還包括鉛等有毒物質(zhì)。下一階段，無鉛壓電陶瓷和低溫壓電陶瓷將是發(fā)展方向。制造工藝

工藝流程圖如下：配料-混合磨細(xì)-預(yù)燒-二次磨細(xì)-造粒-成型-排塑-燒結(jié)成瓷-外形加工-被電極-高壓極化-老化測(cè)試。

一、配料：進(jìn)行預(yù)處理，去除雜質(zhì)和潮濕，然后按配方比例稱取各種原料，注意少量添加劑要放在散料中間。

二、混合磨細(xì)：目的是將各種原料混合研磨均勻，為預(yù)燒完全固相反應(yīng)準(zhǔn)備條件。一般采用干磨或濕磨。小批量可以用干磨，大批量可以用攪拌球磨或氣流粉碎，效率高。

三、預(yù) 燒：目的是通過原料高溫固相反應(yīng)合成壓電陶瓷。此道工序很重要。它將直接影響燒結(jié)條件和最終產(chǎn)品的性能。

四、二次細(xì)磨：目的是對(duì)預(yù)燒壓電陶瓷粉體進(jìn)行精細(xì)的振動(dòng)混合和研磨，為成品瓷的性能均勻打下良好的基礎(chǔ)。

五、造粒：目的是使粉末形成密度高流動(dòng)性好的顆粒。該方法可以手工進(jìn)行，但效率較低有效的方法是噴霧造粒。這一過程需要添加粘合劑。

六、成型：目的是將顆粒狀材料壓制成所需預(yù)設(shè)尺寸的坯料。

七、排塑：目的是從坯料中去除制粒過程中添加的粘合劑。

八、燒結(jié)成瓷：將坯體高溫密封燒結(jié)成瓷。此環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。

九、外形加工：將燒好的產(chǎn)品研磨至所需的成品尺寸。

十、被電極：導(dǎo)電電極布置在所需的陶瓷表面上。一般的方法是銀層燒滲、化學(xué)沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化：陶瓷中的電疇被定向，使得陶瓷具有壓電特性。

十二、老化測(cè)試：陶瓷性能穩(wěn)定后，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，看是否達(dá)到預(yù)期的性能要求。

壓電陶瓷的制造特點(diǎn)是在DC電場(chǎng)下極化鐵電陶瓷，使其具有壓電效應(yīng)。一般極化電場(chǎng)為3 ~ 5kV/Mm，溫度100 ~ 150℃，時(shí)間5 ~ 20min。這三個(gè)因素是影響極化效應(yīng)的主要因素。性能好的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛陶瓷，機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)0.313～0.694。

主要用途

1、語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器是最常見的應(yīng)用之一。像拾音器、傳聲器、耳機(jī)、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀可以使用壓電陶瓷作為聲音轉(zhuǎn)換器。例如，兒童 s toys就是通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)振動(dòng)的電流，發(fā)出人耳可以聽到的聲音。壓電陶瓷可以通過電子電路的控制產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，從而發(fā)出不同的聲音。例如，電子音樂賀卡通過逆壓電效應(yīng)將AC音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)。

2、壓電雷管 自一戰(zhàn)英軍發(fā)明坦克，并在重創(chuàng)德軍的法國(guó)索姆河戰(zhàn)役中首次使用以來，坦克在多次戰(zhàn)役中大顯身手。然而，到了六七十年代，由于反坦克武器的發(fā)明，坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發(fā)射的穿甲彈接觸坦克會(huì)立刻爆炸，坦克會(huì)被炸成碎片。這是因?yàn)閺楊^上裝有壓電陶瓷，可以將碰撞時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大機(jī)械力轉(zhuǎn)化為瞬間高壓，火花會(huì)爆炸引爆炸藥。

3、壓電打火機(jī) 是一種新型的用于燃?xì)庠畹碾娮哟蚧饳C(jī)，由壓電陶瓷制成。只要用手指按下點(diǎn)火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高壓，形成電火花，點(diǎn)燃?xì)怏w，可以長(zhǎng)時(shí)間使用。因此，壓電打火機(jī)不僅使用方便安全可靠，而且使用壽命長(zhǎng)比如鈦酸鉛壓電陶瓷制成的打火機(jī)，可以使用100萬次以上。

4、防核護(hù)目鏡 核試驗(yàn)者佩戴透明壓電陶瓷制成的護(hù)目鏡后，當(dāng)核爆炸產(chǎn)生的光輻射達(dá)到危險(xiǎn)水平時(shí)，護(hù)目鏡中的壓電陶瓷會(huì)將其轉(zhuǎn)化為瞬間高壓電，并在1/在10003356 s中，光強(qiáng)可以降低到只有1/10000，當(dāng)危險(xiǎn)之光消失后，可以恢復(fù)原狀。這種護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量只有幾十克，安裝在防核護(hù)眼頭盔上攜帶非常方便。

5、超聲波換能器 適用于超聲波焊接設(shè)備和超聲波清洗設(shè)備它主要由高功率發(fā)射壓電陶瓷制成超聲波換能器是一種能將高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置超聲波換能器作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，用于將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（即超聲波）然后傳遞出去，本身就消耗了一小部分電量。

6、聲納 海戰(zhàn)中，最難對(duì)付的就是潛艇，它可以長(zhǎng)時(shí)間在海里潛水，神不知鬼不覺地潛入港口、船只是敵人最頭疼的問題。如何尋找敵潛艇？眼睛不行，雷達(dá)也不行，因?yàn)殡姶挪ㄔ诤Ｋ袝?huì)急劇衰減，不能有效地傳遞信號(hào)探測(cè)潛艇靠聲納-水下耳朵。壓電陶瓷是制造聲納的材料它發(fā)射超聲波，遇到潛艇會(huì)反射經(jīng)過接收和處理后，就可以測(cè)出敵方潛艇的位置、距離等。

常見運(yùn)用

1：正負(fù)壓電效應(yīng)的應(yīng)用

2：壓電陶瓷蜂鳴器揚(yáng)聲器

3：壓電陶瓷拾音器

4：壓電變壓器

5：壓電陶瓷點(diǎn)火器