壓電陶瓷是一類(lèi)具有壓電特性的電子陶瓷材料. 與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是: 構(gòu)成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒. 由于陶瓷是晶粒隨機(jī)取向的多晶聚集體，因此其中各個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的. 為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被復(fù)電極之后，將其置于強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，以使原來(lái)混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向. 經(jīng)過(guò)極化處理后的壓電陶瓷，在電場(chǎng)取消之后，會(huì)保留一定的宏觀剩余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì).

　　壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。

　　壓電陶瓷的特性

　　1.介電性及彈性性質(zhì)

　　壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)程度，通常用介電常數(shù)ε0來(lái)表示。在外電場(chǎng)不太大時(shí), 電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)可用線性關(guān)系:

　　不同用途的壓電陶瓷元器件對(duì)壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如, 壓電陶瓷揚(yáng)聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大, 而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。

　　壓電陶瓷的彈性系數(shù)是反映陶瓷的形變與作用力之間關(guān)系的參數(shù)。壓電陶瓷材料同其它彈性體一樣,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做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,由于存在壓電性,彈性系數(shù)的數(shù)值與電學(xué)邊界條件有關(guān)。

　　2.壓電陶瓷的壓電性

　　壓電陶瓷大的特性是具有壓電性, 包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機(jī)械外力作用下,介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而引起極化, 從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。在外力不太大的情況下, 其電荷密度與外力成正比, 遵循公式:

　　其中,δ為面電荷密度, d為壓電應(yīng)變常數(shù),T為伸縮應(yīng)力。反之,當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場(chǎng)時(shí),電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而被極化, 由此位移導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱之為逆壓電性。當(dāng)電場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí)形變與外電場(chǎng)呈線性關(guān)系, 遵循公式:

　　dt為逆壓電應(yīng)變常數(shù), 即d的轉(zhuǎn)置矩陣, E為外加電場(chǎng), x為應(yīng)變。壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合程度,用機(jī)電耦合系數(shù)K表示, 遵循公式:

　　其中u12為壓電能, u1為彈性能, u2為介電能。

　　3.壓電特性的物理機(jī)制

　　經(jīng)過(guò)極化了的壓電陶瓷片的兩端會(huì)出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。當(dāng)給陶瓷片施加一外界壓力F時(shí)，片的兩端會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。相反加以拉力會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電效應(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), 而自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生如圖所示的變化, 壓電陶瓷會(huì)有變形。然而, 壓電陶瓷之所以會(huì)有變形, 是因?yàn)楫?dāng)加上與自發(fā)極化相同的外電場(chǎng)時(shí), 相當(dāng)于增強(qiáng)了極化強(qiáng)度。極化強(qiáng)度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長(zhǎng)。相反, 如果加反向電場(chǎng),則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成機(jī)械效應(yīng)的現(xiàn)象是逆壓電效應(yīng)。

　　4.其他特性

　　壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(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)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲(chóng)拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，用它來(lái)制作壓電地震儀，能地測(cè)出地震強(qiáng)度，指示出地震的方位和距離。這不能不說(shuō)是壓電陶瓷的一大奇功。

　　壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的控制機(jī)構(gòu)--壓電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。

　　諧振器、濾波器等頻率控制裝置，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*性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng)，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無(wú)法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。