讓我(wo)們來(lai)聊(liao)聊(liao)“壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷”-推薦(jian)中科院(yuan)系列壓(ya)電(dian)D33測試儀(yi)

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單(dan)板型(xing)壓電(dian)陶(tao)瓷 圖(tu)片來(lai)源(yuan)：京(jing)瓷

  陶(tao)瓷是(shi)古老中國(guo)的(de)代名詞(ci)，歷(li)史悠(you)久，種類繁(fan)多。陶(tao)瓷從(cong)花(hua)瓶(ping)、碗碟等器(qi)皿發(fa)展到(dao)現(xian)在的(de)功(gong)能(neng)陶(tao)瓷，主(zhu)要(yao)在於功(gong)能(neng)陶(tao)瓷晶(jing)體的(de)微(wei)觀極(ji)化特(te)性(xing)的(de)發(fa)現。功(gong)能(neng)陶(tao)瓷是(shi)以電(dian)、磁、聲(sheng)、光(guang)、熱(re)和(he)力(li)學(xue)等信(xin)息(xi)的(de)存(cun)儲、檢測、耦(ou)合(he)及轉換等主(zhu)要(yao)特(te)征(zheng)的(de)介質(zhi)材(cai)料(liao)，主(zhu)要(yao)包(bao)括壓(ya)電(dian)、介電(dian)、熱(re)釋電(dian)和(he)磁性(xing)等功(gong)能(neng)各異(yi)的(de)新型(xing)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)，其(qi)中壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷是(shi)功(gong)能(neng)陶(tao)瓷領(ling)域(yu)的(de)主(zhu)流材(cai)料(liao)之(zhi)壹(yi)。

中科院(yuan)聲(sheng)學(xue)所(suo)ZJ-3系列壓(ya)電(dian)D33系數(shu)測試儀(yi)是目前應(ying)用(yong)比(bi)較廣(guang)泛的(de)設備，加上(shang)PZT-JH10/4型(xing)壓電(dian)陶(tao)瓷極(ji)化設備，PZT-JH30/3復合(he)極(ji)化設備（塊(kuai)體+PVDF薄(bo)膜(mo)），ZJ-YP15型(xing)陶(tao)瓷壓(ya)片機(ji)，ZT-4A型鐵(tie)電(dian)測試儀(yi)，GWJDN-1000型高(gao)溫介電(dian)溫譜測試儀(yi)，這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)構(gou)成了當(dang)前功(gong)能(neng)陶(tao)瓷的(de)主(zhu)要(yao)測試設備。

壹(yi)、什(shen)麽(me)是壓電(dian)陶(tao)瓷

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷是(shi)指把氧化(hua)物混(hun)合(he)（氧化(hua)鋯(gao)、氧化(hua)鉛(qian)、氧化(hua)鈦(tai)等）高(gao)溫(wen)燒(shao)結、固(gu)相(xiang)反(fan)應(ying)後(hou)而(er)成的(de)多晶(jing)體，並(bing)通(tong)過(guo)直流(liu)高壓極(ji)化處(chu)理(li)使其(qi)具(ju)有(you)壓電(dian)效應的(de)鐵(tie)電(dian)陶(tao)瓷的(de)統(tong)稱(cheng)，是壹(yi)種(zhong)能(neng)將(jiang)機(ji)械能(neng)和(he)電(dian)能(neng)互相(xiang)轉(zhuan)換的(de)功(gong)能(neng)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)。其(qi)中，鋯鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)陶(tao)瓷簡(jian)稱(cheng)PZT陶(tao)瓷，是(shi)壹(yi)種(zhong)二(er)元(yuan)固(gu)溶(rong)體(ti)，它呈現(xian)出(chu) ABO3 型的(de)鈣鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)，是(shi)壹(yi)種(zhong)應用(yong)極(ji)為廣(guang)泛的(de)壓電(dian)材(cai)料(liao)。                 

二(er)、什麽(me)又是壓電(dian)效應

某(mou)些(xie)電(dian)介質在沿(yan)壹(yi)定(ding)方(fang)向受(shou)外力(li)作(zuo)用(yong)而(er)變形(xing)時﹐內(nei)部產(chan)生(sheng)極(ji)化的(de)同時﹐在晶體(ti)的(de)兩個相(xiang)對(dui)的(de)表面(mian)上(shang)出(chu)現(xian)正負電(dian)荷，此現象稱(cheng)為壓電(dian)效應。壓電(dian)效應分(fen)為(wei)正壓(ya)電(dian)效應和(he)逆(ni)壓(ya)電(dian)效應。所(suo)謂正壓(ya)電(dian)效應是指晶(jing)體(ti)因(yin)機(ji)械應(ying)力(li)的(de)作用(yong)而(er)使其(qi)介(jie)質(zhi)化(hua)﹐並使其(qi)表(biao)面(mian)荷(he)電(dian)的(de)效應(ying)。反之(zhi)﹐當在晶體(ti)外部施(shi)加(jia)電(dian)場(chang)時，受(shou)電(dian)場(chang)影(ying)響(xiang)的(de)晶體(ti)會(hui)產(chan)生機(ji)械形(xing)變﹐稱(cheng)為逆(ni)壓(ya)電(dian)效應。

正(zheng)壓電(dian)效應              逆(ni)壓(ya)電(dian)效應

三(san)、為(wei)什(shen)麽(me)能(neng)實(shi)現(xian)“壓電(dian)"

壓電(dian)陶(tao)瓷要(yao)有(you)兩個條(tiao)件：壹(yi)是(shi)晶粒有(you)鐵(tie)電(dian)性(xing)；二(er)是經(jing)過(guo)強直流(liu)電(dian)場(chang)極(ji)化處(chu)理(li)。所(suo)有(you)的(de)鐵(tie)電(dian)單(dan)晶都(dou)具(ju)有(you)壓電(dian)效應，但是對(dui)於(yu)鐵(tie)電(dian)陶(tao)瓷（陶(tao)瓷是(shi)多晶(jing)體）則(ze)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)高壓(ya)直流極(ji)化處(chu)理(li)。這(zhe)是因為(wei)陶(tao)瓷內(nei)部的(de)各晶(jing)粒雖然存(cun)在自發(fa)極(ji)化，具(ju)有(you)鐵(tie)電(dian)性(xing)，但是(shi)其(qi)自(zi)發(fa)極(ji)化電(dian)疇的(de)取向是(shi)隨機(ji)的(de)，宏觀上(shang)並(bing)不具(ju)有(you)極(ji)化強度。在高壓(ya)直流電(dian)場(chang)作(zuo)用(yong)下電(dian)疇沿(yan)電(dian)場(chang)方(fang)向定(ding)向排(pai)列，而(er)且(qie)在電(dian)場(chang)去(qu)除後(hou)，這(zhe)種定向狀態大(da)部分(fen)能(neng)夠被(bei)保(bao)留下來(lai)，所(suo)以陶(tao)瓷呈(cheng)現壓(ya)電(dian)效應。

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷人(ren)工極(ji)化過(guo)程

四、壓電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)分(fen)類(lei)

目前，壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷體(ti)系主(zhu)要(yao)包(bao)括鎢(wu)青銅結構、鉍層(ceng)狀結構(gou)、鈣鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)三(san)大(da)類壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)。

（1）鎢(wu)青銅結構陶(tao)瓷

鎢(wu)青銅結構是(shi)僅(jin)次(ci)於鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)的(de)第二(er)大(da)類鐵(tie)電(dian)體。該晶體(ti)也是由氧八面(mian)體(ti)以共頂點的(de)形(xing)式聯接(jie)而(er)成的(de)。氧八面(mian)體(ti)以共頂點的(de)形(xing)式沿(yan)四重軸形(xing)成堆垛(duo)，各堆垛(duo)再(zai)以(yi)共頂點的(de)形(xing)式聯接(jie)起(qi)來(lai)。目前被(bei)廣(guang)泛研(yan)究體系要(yao)有(you)（SrxBa1-x）Nb2O6、(AxSr1-x)NaNb5O15 （A=Ba,Ca,Mg 等）、以(yi)及Ba2AgNb5O15等。

特(te)點：具有(you)自發(fa)極(ji)化強度大(da)、居裏(li)溫(wen)度較(jiao)高(gao)（300℃左右(you)）、介電(dian)損耗較低(di)等優(you)點，但(dan)是(shi)結(jie)溫度較(jiao)高(gao)，難於(yu)制(zhi)備(bei)，而(er)且(qie)溫度穩定性(xing)較差。

鎢(wu)青銅結構晶(jing)胞(bao)在（001）面(mian)的(de)投影(ying)

（2）鉍層(ceng)狀結構(gou)陶(tao)瓷

鉍層(ceng)狀結構(gou)陶(tao)瓷是(shi)壹(yi)種(zhong)含(han)Bi的(de)有(you)氧八面(mian)體(ti)的(de)層(ceng)狀結構(gou)化合物鐵(tie)電(dian)體。目前研(yan)究較多主(zhu)要(yao)包(bao)括：Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15，SrBi2Nb2O9，及其(qi)改(gai)性(xing)的(de)化合(he)物等。

特(te)點：電(dian)學性(xing)能(neng)各向異(yi)性(xing)明顯(xian)，機(ji)械品(pin)質因數(shu)高(gao)，居裏(li)溫度高(gao)，相(xiang)對介(jie)電(dian)常數(shu)低(di)，電(dian)阻率高(gao)，介(jie)電(dian)擊穿(chuan)強度高(gao)，諧(xie)振頻(pin)率的(de)時間(jian)和(he)溫度穩定性(xing)好。但(dan)是，此(ci)類陶(tao)瓷的(de)缺(que)點(dian)也很明矯頑(wan)場(chang)比(bi)較高，不容(rong)易極(ji)化，壓(ya)電(dian)活(huo)性(xing)較低(di)。

鉍層(ceng)陶(tao)瓷結(jie)構示(shi)意圖

（3）鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)陶(tao)瓷

目前研(yan)究泛的(de)晶體(ti)結構(gou)為鈣鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)，該類結(jie)構的(de)化學(xue)式可寫(xie)為(wei)ABO3型(xing)，其(qi)中A為壹(yi)價(jia)或(huo)二(er)價金(jin)屬離(li)子，而(er)B為四價或(huo)五(wu)價(jia)金(jin)屬。半(ban)徑較大(da)的(de)A正離(li)子，半(ban)徑較小(xiao)的(de)B正離(li)子和(he)氧離(li)子分(fen)別(bie)位於(yu)晶胞(bao)格子的(de)頂角(jiao)，體(ti)心和(he)面(mian)心。被(bei)廣(guang)泛應(ying)用(yong)研(yan)究主(zhu)要(yao)有(you)鈦(tai)酸(suan)鋇，鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)，錯(cuo)鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)和(he) KxNa1-xNbO3等。

鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)結(jie)構(gou)示(shi)意圖

五、壓電(dian)陶(tao)瓷的(de)制(zhi)備(bei)工藝(yi)

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷制(zhi)備(bei)過(guo)程主(zhu)要(yao)包(bao)括陶(tao)瓷原料(liao)粉(fen)體的(de)合成(cheng)、成型(xing)、燒結、被(bei)電(dian)極(ji)和(he)極(ji)化等幾(ji)個主(zhu)要(yao)過(guo)程。在這(zhe)些(xie)過(guo)程中，伴隨著(zhe)壹(yi)系列的(de)物理(li)和(he)化學變化。壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷的(de)性(xing)能(neng)與材(cai)料(liao)的(de)組(zu)分(fen)和(he)制(zhi)備(bei)工藝(yi)有(you)直接(jie)的(de)關(guan)系，所(suo)以壹(yi)整(zheng)套穩定合(he)理的(de)工藝(yi)參數是(shi)獲(huo)得優(you)異(yi)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)的(de)重要(yao)保(bao)證(zheng)。 

 表1 各制(zhi)備(bei)工藝(yi)簡介

六、壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)應用(yong)

由於(yu)壓電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)具有(you)正逆(ni)壓(ya)電(dian)效應，其(qi)在壓電(dian)傳感器(qi)、驅動(dong)器(qi)、換能(neng)器(qi)和(he)濾波器(qi)等器(qi)件中得到(dao)了廣(guang)泛的(de)應用(yong)。應用(yong)範(fan)圍覆蓋(gai)航空航天、軍(jun)事(shi)、信(xin)息(xi)電(dian)子、工業機(ji)械、醫(yi)療(liao)、汽(qi)車(che)等眾(zhong)多領(ling)域(yu)。壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷具(ju)有(you)性(xing)能(neng)高、成(cheng)本(ben)低(di)、易於(yu)加(jia)工制(zhi)備(bei)等特(te)點，是目前壓(ya)電(dian)驅動(dong)器(qi)最主(zhu)要(yao)的(de)驅動(dong)材(cai)料(liao)。

壓電(dian)材(cai)料(liao)典型應用(yong)

總結(jie)

壓電(dian)效應技術以(yi)其(qi)*的(de)優勢(shi)在能(neng)源需(xu)求不(bu)斷(duan)增(zeng)長的(de)今天(tian)﹐得到(dao)了日(ri)益廣(guang)泛的(de)應用(yong)。其(qi)中壓電(dian)陶(tao)瓷是(shi)壹(yi)種(zhong)重要(yao)的(de)功(gong)能(neng)材(cai)料(liao)，具有(you)優異(yi)的(de)壓電(dian)、介電(dian)和(he)光(guang)電(dian)等電(dian)學性(xing)能(neng)，被(bei)廣(guang)泛地(di)應(ying)用(yong)於(yu)電(dian)子、航空航天、生(sheng)物等高(gao)技術(shu)領(ling)域(yu)。隨著(zhe)新興(xing)領(ling)域(yu)的(de)飛速(su)發(fa)展和(he)經(jing)濟(ji)社(she)會(hui)新的(de)發(fa)展需(xu)求，未(wei)來(lai)對(dui)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷的(de)性(xing)能(neng)會(hui)有(you)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求。如：高(gao)居(ju)裏(li)溫度、高(gao)機(ji)電(dian)耦(ou)合(he)系數(shu)和(he)機(ji)械品(pin)質因數(shu)及環(huan)保(bao)、無(wu)鉛(qian)、復合(he)、納(na)米壓電(dian)陶(tao)瓷必將(jiang)成(cheng)為今後(hou)的(de)研究重點(dian)。