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陶(tao)瓷(ci)是(shi)古老中国的(de)(de)(de)代(dai)名词，历史悠(you)久，种类繁多。陶(tao)瓷(ci)从花(hua)瓶(ping)、碗碟等器皿发(fa)展(zhan)到(dao)现在的(de)(de)(de)功能(neng)陶(tao)瓷(ci)，主(zhu)要在于功能(neng)陶(tao)瓷(ci)晶体的(de)(de)(de)微观极化特(te)性的(de)(de)(de)发(fa)现。功能(neng)陶(tao)瓷(ci)是(shi)以电(dian)、磁、声(sheng)、光(guang)、热(re)和力学等信息的(de)(de)(de)存储(chu)、检测(ce)、耦合及转换(huan)等主(zhu)要特(te)征的(de)(de)(de)介质材料，主(zhu)要包括压电(dian)、介电(dian)、热(re)释(shi)电(dian)和磁性等功能(neng)各异的(de)(de)(de)新型陶(tao)瓷(ci)材料，其中压(ya)电陶瓷是功能(neng)陶瓷领域的主流材(cai)料之一。

单(dan)板型压电陶瓷 图片来源：京(jing)瓷官网

一、什么是(shi)压电陶瓷

压电陶瓷是指把氧化(hua)(hua)(hua)物混合(he)（氧化(hua)(hua)(hua)锆、氧化(hua)(hua)(hua)铅、氧化(hua)(hua)(hua)钛等）高温烧结、固(gu)相反应(ying)后而(er)成的多晶(jing)体(ti)，并(bing)通过直流高压极化处理使其具有压电(dian)效应(ying)的铁电(dian)陶(tao)(tao)瓷的统(tong)称，是(shi)一种能将(jiang)机械(xie)能和电(dian)能互相转(zhuan)换(huan)的功能陶(tao)(tao)瓷材料(liao)。其中，锆(gao)钛酸铅陶(tao)(tao)瓷简称PZT陶(tao)(tao)瓷，是(shi)一种二元固(gu)溶体(ti)，它呈现出(chu) ABO₃ 型(xing)的钙(gai)钛矿结构，是一种应(ying)用(yong)极为广(guang)泛(fan)的压电材料(liao)。                 

二、什么(me)又是压(ya)电效应

某(mou)些(xie)电(dian)(dian)介质(zhi)在(zai)沿一定(ding)方向受外力(li)作用(yong)而(er)(er)变(bian)形时(shi)﹐内部产生极化的(de)同(tong)时(shi)﹐在(zai)晶体(ti)(ti)的(de)两个相对的(de)表面(mian)上出现(xian)(xian)正负电(dian)(dian)荷(he)，此(ci)现(xian)(xian)象称为压电(dian)(dian)效应(ying)。压电(dian)(dian)效应(ying)分为正压电(dian)(dian)效应(ying)和逆压电(dian)(dian)效应(ying)。所谓正压电(dian)(dian)效应(ying)是指晶体(ti)(ti)因(yin)机械应(ying)力(li)的(de)作用(yong)而(er)(er)使其介质(zhi)化﹐并(bing)使其表面(mian)荷(he)电(dian)(dian)的(de)效应(ying)。反之﹐当(dang)在(zai)晶体(ti)(ti)外部施加(jia)电(dian)(dian)场时(shi)，受电(dian)(dian)场影响的(de)晶体(ti)(ti)会产生机械形变(bian)﹐称为逆压电(dian)(dian)效应(ying)。

正压电效应              逆压电效应

三、为什(shen)么(me)能(neng)实现“压电”

压电陶瓷(ci)要有两个(ge)条件(jian)：一是(shi)(shi)晶粒(li)有铁电性(xing)；二是(shi)(shi)经过强直流电场极化处理。所有(you)的(de)(de)铁电(dian)(dian)(dian)(dian)单晶都具(ju)有(you)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)应(ying)，但是(shi)(shi)(shi)对于铁电(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷（陶瓷是(shi)(shi)(shi)多晶体）则需要经过高压(ya)直(zhi)流(liu)极化处理。这是(shi)(shi)(shi)因为陶瓷内部的(de)(de)各晶粒(li)虽然存在(zai)(zai)自发(fa)极化，具(ju)有(you)铁电(dian)(dian)(dian)(dian)性，但是(shi)(shi)(shi)其自发(fa)极化电(dian)(dian)(dian)(dian)畴(chou)的(de)(de)取向(xiang)是(shi)(shi)(shi)完全随机的(de)(de)，宏观上并不(bu)具(ju)有(you)极化强度(du)。在(zai)(zai)高压(ya)直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)场作(zuo)用下电(dian)(dian)(dian)(dian)畴(chou)沿电(dian)(dian)(dian)(dian)场方向(xiang)定(ding)向(xiang)排列，而且在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)场去除后，这种定(ding)向(xiang)状态大(da)部分能够被(bei)保(bao)留下来，所以陶瓷呈现压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)应(ying)。

压电陶瓷人工极(ji)化(hua)过(guo)程

四、压电陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)分类

目前，压电陶瓷体系主要包(bao)括钨青铜结构(gou)、铋(bi)层状结构(gou)、钙钛矿结构(gou)三大类压电陶瓷材料。

（1）钨青铜结构(gou)陶瓷

钨青铜结(jie)构是仅次于钙(gai)钛矿(kuang)结(jie)构的(de)第二大类铁电体(ti)(ti)(ti)。该晶体(ti)(ti)(ti)也是由氧(yang)(yang)八面体(ti)(ti)(ti)以共顶点(dian)的(de)形式联接而成的(de)。氧(yang)(yang)八面体(ti)(ti)(ti)以共顶点(dian)的(de)形式沿四(si)重轴(zhou)形成堆垛，各堆垛再以共顶点(dian)的(de)形式联接起来。目前被(bei)广泛(fan)研究体(ti)(ti)(ti)系要有(you)（Sr_xBa_1-x）Nb₂O₆、(A_xSr_1-x)NaNb₅O₁₅ （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba₂AgNb₅O₁₅等。

特(te)点(dian)：具有自(zi)发极化强(qiang)度(du)大、居(ju)里温度(du)较高（300℃左右）、介(jie)电损耗较(jiao)低等(deng)优点(dian)，但是(shi)结温度较(jiao)高(gao)，难(nan)于制(zhi)备，而且温度稳定性较(jiao)差。

钨青(qing)铜(tong)结构晶(jing)胞在（001）面的投影

（2）铋层状(zhuang)结构陶瓷

铋层状结构陶瓷是一种含Bi的有(you)氧八面体的层状(zhuang)结(jie)构化合物铁电体。目前研究较多主(zhu)要包(bao)括(kuo)：Bi₄Ti₃O₁₂，SrBi₄Ti₄O₁₅，SrBi₂Nb₂O₉，及其改(gai)性的化合物等。

特点：电(dian)(dian)学性能各向异性明显(xian)，机械品(pin)质(zhi)因数(shu)高，居里温度高，相对介(jie)电(dian)(dian)常数(shu)低，电(dian)(dian)阻率(lv)高，介(jie)电(dian)(dian)击穿强度高，谐(xie)振(zhen)频率(lv)的时间和温度稳定性好。但是(shi)，此(ci)类陶瓷(ci)的缺点也很明矫顽(wan)场比较(jiao)高，不(bu)容易(yi)极化，压电(dian)(dian)活性较(jiao)低。

铋层陶瓷结构示意图(tu)

（3）钙(gai)钛矿结构陶瓷(ci)

目前(qian)研究最广泛的晶体(ti)结构(gou)为钙钛(tai)矿(kuang)结构(gou)，该类(lei)结构(gou)的化学(xue)式(shi)可写为ABO₃型，其中A为一价(jia)(jia)或二价(jia)(jia)金(jin)(jin)属离(li)子(zi)(zi)(zi)，而(er)B为四(si)价(jia)(jia)或五价(jia)(jia)金(jin)(jin)属。半径较(jiao)大的(de)A正离(li)子(zi)(zi)(zi)，半径较(jiao)小(xiao)的(de)B正离(li)子(zi)(zi)(zi)和氧离(li)子(zi)(zi)(zi)分别位(wei)于晶胞格子(zi)(zi)(zi)的(de)顶角，体心和面心。被(bei)广泛(fan)应(ying)用研究(jiu)主要有钛(tai)酸钡，钛(tai)酸铅，错钛(tai)酸铅和 K_xNa_1-xNbO₃等。

钙钛矿结构示(shi)意图

五、压电陶瓷的制备工艺

压电(dian)陶(tao)瓷制备过(guo)程主要包括陶(tao)瓷原(yuan)料粉体(ti)的合成、成型、烧结、被电(dian)极(ji)和极(ji)化(hua)等几个主要过(guo)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。

 表1 各制备工(gong)艺简介

六(liu)、压电(dian)陶(tao)瓷材料的(de)应用

由于压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷材料具有(you)(you)正逆压(ya)(ya)电(dian)效(xiao)应(ying)(ying)，其在压(ya)(ya)电(dian)传感器(qi)、驱动器(qi)、换能器(qi)和滤波器(qi)等(deng)(deng)(deng)器(qi)件中(zhong)得(de)到(dao)了广泛的应(ying)(ying)用。应(ying)(ying)用范(fan)围覆盖航(hang)空航(hang)天、军事、信(xin)息电(dian)子(zi)、工(gong)业机械(xie)、医(yi)疗、汽车等(deng)(deng)(deng)众多(duo)领域。压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷具有(you)(you)性能高(gao)、成(cheng)本低(di)、易于加(jia)工(gong)制备等(deng)(deng)(deng)特(te)点，是(shi)目前压(ya)(ya)电(dian)驱动器(qi)最主要的驱动材料。

压电材(cai)料典型应(ying)用

总结

压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应技术以其特(te)有的(de)(de)(de)优势在能(neng)源需求不断增长的(de)(de)(de)今天﹐得(de)到了日(ri)益(yi)广泛的(de)(de)(de)应用(yong)。其中压(ya)(ya)电(dian)(dian)陶瓷(ci)是一种重要的(de)(de)(de)功能(neng)材料，具(ju)有优异的(de)(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)(dian)、介电(dian)(dian)和光电(dian)(dian)等电(dian)(dian)学性能(neng)，被广泛地(di)应用(yong)于(yu)电(dian)(dian)子、航空航天、生物等高(gao)技术领域。随(sui)着新兴(xing)领域的(de)(de)(de)飞速发展和经济社会(hui)(hui)新的(de)(de)(de)发展需求，未(wei)来对压(ya)(ya)电(dian)(dian)陶瓷(ci)的(de)(de)(de)性能(neng)会(hui)(hui)有更高(gao)的(de)(de)(de)要求。如：高(gao)居里(li)温(wen)度、高(gao)机(ji)电(dian)(dian)耦合(he)系数和机(ji)械品质因数及环保、无铅、复(fu)合(he)、纳米压(ya)(ya)电(dian)(dian)陶瓷(ci)必(bi)将成(cheng)为今后的(de)(de)(de)研究重点。

参考(kao)来源：

1、关于压电陶瓷的初步认识 孙沁瑶(yao)

2、压电陶瓷的应用进展(zhan)与发展(zhan)趋势 程仁(ren)志(zhi)等

3、压电材料(liao)及压电效应的应用 宋海龙等(deng)

4、铌酸(suan)钾钠基无(wu)铅压电(dian)陶(tao)瓷的(de)制备与物性的(de)研究 姚卫增

5、BiFeO₃-BaTiO₃基(ji)无(wu)铅压电陶瓷(ci)电导与应变性(xing)能研究 王(wang)磊

作者：晴(qing)天

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