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压电陶瓷的压电原理与制作工艺
.压电陶瓷的用途
随着高新技术的不断开展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新 型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表 1所示。
表1压电陶瓷的主要应用领例，说明电畴的形成。
①c轴万向决定自发极化取向
压电陶瓷中晶粒内部结构从立方相变成四方相时， 任何一个轴都可能成为四方相的 c轴。又因自发极化平行于c轴，所以各晶胞的自发极化取向可以彼此不同。但这不是 一种能量最低状态。
②能量最低原那么决定畴结构
为了符合能量最低原那么，四方相晶粒必须形成畴结构，即
晶粒中形成
区排列状态
定的小
畴结构
品格匹配要求 > 晶胞自发极化取向一致小区的存在 ] 能量最低原那么要求——> 自发极化取向不一致小区的搭配;
如图3所示
③相结构决定畴壁类型
又因为晶粒为四方相时，自发极化的取向只能与原反响立方相三个晶轴之一平行， 所以，相邻两个畴中的自发极化方向只能成 90°角或180°角，相应的电畴的交界面就分 别称为90°畴壁和180°畴壁，如图8所示。
图8四方相晶体90°畴壁和180°畴壁示意图
2）电畴在外电场作用下的运动
假设在一块多畴晶体上加足够高的直流电场时，自发极化方向与电场方向一致的电
畴便不断增大，反之，那么不断减小，最后整个晶体由多畴变为单畴，自发极化方向与 电场方向一致。
压电陶瓷的极化工序，就是在陶瓷片电极上加一个足够高的直流电场，迫使电畴转 向，即使其自发极化作定向排列，如图 9所示。
«件氏名语意
〔a〕极化前〔b〕极化过程中〔c〕极化后
图9压电陶瓷在极化中电畴变化示意图
3）铁电性与电滞回线
由上述知，在T电场作用而转向。
晶体。
一在交变电场作用下，压电陶瓷可观察到电滞回线，如图10所示
图10压电陶瓷的电滞回线
图中，PS为自发极化强度，Pr为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷极化工序 中，一般选择电场强度为2-3倍的Ec0
压电效应的再理解
极化过的压电陶瓷内的剩余极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即陶瓷一端
出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷，如图 11所示。为了屏蔽和抵消剩余极化强 度对外界的作用，在束缚电荷作用下，陶瓷电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。
电极
自由电荷
「+ + +1+ + +
极化方向
地梭
+ + +十 +
自由电涉
图11陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
(1)正压电效应
假设在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力 F,如图12所示。瓷片被压缩，极 化强度变小，释放局部原来吸附的自由电荷，出现放电现象。当 F撤除后，瓷片回复原 状，极化强度又变大，又吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械力变电的效应， 或者说由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。
+++ + +缸b
图12正压电效应示意图〔实线代表形变前，虚线代表形变后〕
(2)逆压电效应
假设在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场，如图13所示。极化强度增大，瓷
片发生伸长的形变。反之那么发生缩短形变。这种由电转变为机械运动，或者说由电能 转变为机械能的现象，
图13逆压电效应示意图〔实线代表形变前，虚线代表形变后〕
小结
压电陶瓷的压电原理在于：压电陶瓷结构中存在自发极化和铁电畴；通过外界作 用〔施力或电场〕改变其极化状态〔含畴状态〕，实现能量转换而表现出压电效应。
.压电陶瓷的制作工艺
要得到性能良好的压电陶瓷，必须掌握它的制作工艺。工艺条件的变化，对压电性 能的影响很大。因此，我们要认识压电陶瓷的内在规律，设计合理的制作工艺，严格控 制它的操作过程。
压电陶瓷的制作过程主要包括以下步骤：
配料
原料的选择和处理
原料是制备压电陶瓷的根底。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。
纯度
对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原
料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，且温区较宽。过低纯度原
料杂质多，不宜采用。
杂质含量
压电陶瓷材料中杂质允许量主要根据以下三点因素决定：
杂质类型
有害杂质
对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如 B 、 C、 P、 S、 Al 等， 愈少愈好。
有利杂质
与材料 A 、 B 位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca2+ 、 Sr2+、
Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，~0