压电陶瓷材料及应用教材

1、压电陶瓷材料及应用一、概述1.1 电介 质电介 质材 料的研究与发展成 为一 个工业领域和学科 领域 ，是 在 20 世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在 20 世纪 20 年代至 30 年代形成 的， 具有标志性的事件 是：电气及电 子工 程师学会 （ IEEE ）在 1920 年开始召开国际绝缘介质会议，以 后又建立了相应的 分 会（ IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美 国 MIT 建 立了以 Hippel 教授为 首的 绝缘研究室。苏联 列宁格勒工学 院建 立了电气 绝缘与 电缆技术专业，莫斯科工学院建

2、立了电介质 与半导体专业。特别 是德国德拜教授在 20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性 与其分 子结构关系获得了 诺贝 尔奖，奠定 了电 介质物理学科的基础。随 着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电 导、击 穿 为中心内容的电介质物理学科。我国电介质领域的 发展是在 1952 年第 一个 五年计划制定 和实 行以 来 ，电 力 工 业 和 相 应 的 电 工 制 造 业 得 到 迅 速 发 展 ，这 些 校 、院 、所 、首 先在我 国开展了有关电介 质特 性的研究和人才的培养，并开 出了“电介 质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈 尔

3、滨工大 等院校一道为我国培养 了数千名绝缘电介质专业 人才 ，促进了我 国工程 电介质的 发展。80 年 代初 中国电工技术学会又建 立了 工程电介 质专业委员会。近年来，随着电子技术、空 间技术、激 光技术、计算机技术等新技 术的兴 起以及基础理论和 测试 技术的发展，人们创造各种 性能 的功能陶 瓷介质。主要有：（ 1）、 电子功能陶瓷 如高温高 压绝 缘陶 瓷、高导热绝 缘陶 瓷、 低热膨 胀陶瓷、半导体陶 瓷、 超导陶瓷、导电陶瓷等。（2）、化学功能陶 瓷 如各 种传 感器、化学泵 等。（3）、电光陶 瓷和光 学陶 瓷 如铁电、压电 、热电 陶瓷、透光陶瓷、 光色陶 瓷、玻璃光纤等。（

4、电 介质物理邓宏 ）功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、 光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有 广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶 瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。（材料一） 1.2压电材料的分类具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年Jacques Curie和 Pierre Curie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材 料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及日常生 活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭-压电陶瓷扬声器；医院 里检查心脏、肝部的超声诊断仪上

5、的探头-压电超声换能器；电子仪器 内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材 料等（如图1.1所示）厂单品体仅具压电性单晶铁电单晶压电热释电氓晶反铁电单晶I圧电半导体单晶非锲电热释电单晶诙电陶絞极化乐电热释电陶瓷多晶体土反饮电陶瓷铁电陶瓷、铁电半孚体陶瓷压电薄膜压电半导体薄膜） 漲膜1恢电薄膜料晶态聚合物+铁电陶瓷晁口初1非晶态聚合物+铁电陶瓷 I聚物晶态压电聚合物聚口物1非晶态压电聚合物图1.1压电材料的分类压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶 体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（

6、石英晶体）、傢酸锂等。压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其 它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有电矩 自发极化（Ps）存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集 在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列 的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因 此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极 化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值剩余极化（Pr），如图1.2所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度（定义）。 利

7、用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定 的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一 定的净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁 电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见， 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都 应是铁电陶瓷。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率 换能器 和宽带滤波器等应 用，但 对高 频、高 稳定应 用不理 想。石英等压 电单晶 压电性弱，介电常数很低，受切割限制存在 尺寸局限，但稳 定性

8、 很高，机 械品质因子高，多用来作标准品率控制的振子、高选择性（ 多 属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。压 电薄膜是一种独特的高 分子传感材料，能相对于压力或 拉伸力的 变化输 出电压信号，因 此是一种理想的动 态应 变片，压电 薄膜 元件通常 由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。压 电聚合物，如偏聚氟乙 烯（ PVDF ）（薄膜）等，具有 材质 柔韧， 低密度，低阻抗和高压电电压常数（g）等优点，为世人瞩目且发展十 分迅速，现在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不 足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大 的限制。复合压

9、电材料，是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、 或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得 到广泛的应用。如它制成的水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率， 而且耐冲击， 不易受损且可用于不同的深度。（ 材料一）1.3 发 展 概 况1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO 3）具有异常高的介电常数，不 久又发现它具有压电性， BaTiO 3 压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞 跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料压电陶瓷， 并获得广泛应用。1947 年美国用 BaTiO 3陶瓷制造留声机用拾音器，日 本比美国晚用两年。BaTiO 3存在压电性比罗息

10、盐弱和压电性随温度变 化比石英晶体大的缺点。1954年美国B 贾菲等人发现了压电 PbZrO 3-PbTiO 3 （ PZT ）固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO 3 时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出 PLZT 透明压电陶瓷，使 压电陶瓷的应用扩展到光学领域。六十年代初， Smolensky 等人对复合钙钛矿型化合物进行了系统的 研究，提出可以用不同原子价的元素组合取代钙钛矿结构中的A-位和 B- 位 离 子 ， 大 大 增 加 了 钙 钛 矿 型 化 合 物 的 种 类 。 如Pb（Mg i/3Nb2/3）O3（PMN） 、Pb（Ni i/3Nb2/3）O3（PNN）、

11、Pb（Sbi/3 Nb2/3 ）03（PSN） 等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低， 工艺重复性好，对压电材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下 电气公司的H.Ouchi发表了把Pb（Mg i/3Nb2/3）O3作为第三组分加到PZT 陶瓷中制成的三元系压电陶瓷（简称PCM），发现它具有良好的压电性 能。1969年，我国压电与声光技术研究所研制成功把Pb（Mn i/3Sb2/3）O3 作为第三组分加到PZT中的三元系压电陶瓷，性能比PZT和PCM优越。 经过10多年的深入研究和广泛应用，这种材料成为我国自成体系的、 具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名

12、PMS。PMS压电 陶瓷和用它作换能器的压电晶体速率陀螺均先后获国家科委发明奖。80年代，为了既能满足人类日益增长的物质文化生活需要，又能减 少对环境的污染，保护人类赖以生存的生态环境，简化材料制备工艺， 开始了非铅基铁电压电陶瓷的研究工作。非铅基铁电压电陶瓷主要是以 铌酸盐和钛酸盐为主的化合物。虽然这类材料的目前压电性能还不如锆 钛酸铅系，但是非铅基铁电压电陶瓷的研究开发已成为压电陶瓷材料领 域的研究前沿之一。二、压电陶瓷的压电机理与性能参数压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶 体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现 象、因此压电性与极化，形变等

13、有密切关系。2.1极化的微观机理在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介 质表面出现束缚电荷的物理现象。极化状态是电场对电介质的荷电质点 产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极 化机理主要有三种。（1）电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云 相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电子极化），其 极化率称为电子位移极化率：e 0电子位移极化结论是：对于同族元素： e由上到下增大，因：外层 电子数增加，原子半径R增大；对于同周期元素：不定，因为外层电 子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规 律与原子大致相同；离子

14、半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理 论结果仍有差别，但研究发现， 亠/4二；0R3值大，对极化贡献大；电-15子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10-16-0 s,该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：(2) 离子位移极化一一离子晶体中正、负离子发生相对位移而形 成的极化，称为离子(位移)极化(Ionic polarization)。极化率用ai表 示。离子位移极化结论是：离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相-103-402同的数量级，均在4二；0 ( 10)： 10 法 米 数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离

15、子极化；离子位 移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或-12-13消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，1010 秒。(3) 取向极化一一当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生 转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体 来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化 现象称为偶极子转向极化，用:d表示。3KT%是极性分子固有偶极矩10库 米根据电介质分子参与极化运动的种类，把极化分成三类：电子位移 极化 ；离子位移极化：i ；偶极矩转向极化：d。电介质的总极化为:-几爲dN住 e .p = 0 i ； -1= N E i,或：=

16、1 一 - i-对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系式中工宀为极化率，或用电位移写成:图PPt9微观机理图2.2压电性、铁电性与反铁电性2.2.1压电效应压电效应是1880年由JacquesCurie和PierreCurie 发现的。他们在 研究热电性与晶体对称性的关系时，发现在一些无对称中心晶体的特定 方向上施加压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与 压力大小成正比；同年，他们证实了这类晶体具有可逆的性质，即晶体 的形状会受外加电场的作用发生微小的变化（如图2.1所示）。(1 )正压电效应，压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电 荷中心发生相对位移，在某些相对应的面

17、上产生异号电荷，出现极化强 度。这种没有电场作用，由形变产生极化的现象称为正压电效应。对于各向异性晶体，对晶体施加应力了 ；(相应的应变)时,晶体将在X，丫，Z三个方向出现与了成正比的极化强度，即：式中，分别称为压电应力常数与压电应变常数。逆压电效应当给晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种 由电场产生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体受电场作用时， 在晶体内部产生了应力(压电应力)，通过应力作用产生压电应变。存 在如下关系(8)式中厂和分别为d和e的转量矩在晶体中，如果单位晶胞中的正、负电荷中心不相重合，即每一个 晶胞具有一定的固有偶极矩时，由于晶体构造的周期性和重复性，

18、单位 晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 下。由于这种极化状态是在外场为零时自发产生的，因而称之为自发极 化。铁电性是指材料不仅在外电场不存在时，在某温度范围内具有自发 极化，而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的性质。压电性对晶体对称性的要求是没有对称中心。自发极化对晶体对称 性的要求是具有特殊的极性方向。具有特殊极性方向的晶体必然没有对 称中心，所以具有铁电性的晶体必然具有压电性。电介质、压电体、热 电体、铁电体的关系如图2.2所示。2.1.1压电体当晶体上特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分 别出现正、负束缚电荷，其电荷密度与外施力的

19、大小成正比例。压电体 的必要条件：晶体不具有对称中心。图 ppt242.1.2 铁电体在具有压电性的晶体中，有若干种晶体不仅在一定温度范围内具有 自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场而反向，并呈现电滞回线， 这类晶体称之为铁电体(ferroelectrics ).通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化的， 而是有类似于许多孪晶的区域，这些区域称为铁电畴(doma in )。在一 个铁电畴内，自发极化的方向是一致的。两畴之间的界壁称为畴壁 (domain wall )。一块铁电晶体往往是多畴的，但有时也会出现单畴晶 体，强的外电场可使一个多畴晶体变成单畴晶体或使单畴晶体的自发极

20、 化反向，这样的动力学过程就称为畴的反转，畴反转的过程包括了畴壁 运动和新畴成核的过程。在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态 (相当与回线的0点)。铁电体的重要特征之一是具有电滞回线(hysteresis loop )，典 型的铁电体的P-E (极化强度-外加电场)回线如图1.2所示。常见的铁电体有：酒石酸钾钠(NaKC 4H4O6 4H2O),磷酸二氢钾(KH2PO4),钛酸钡(BaTiO 3)。电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关 系，且自发极化可随外电场方向反向而反向。回线所包围的面积就是极 化强度反转两次所需要的能量。铁电体还有两个重要特征，具

21、有高的介电常数，几百几万；介电 常数与电场强度大小有关。除了铁电体外，还有一类反铁电体(an ti-ferroelectrics )。反铁电体 的结构可以看成是两个套子晶格交叠而成，而这两个子晶格的电矩方向 是反向平行的，如图2.6武1-3。因此反铁电体与铁电体不同，从宏观 上看它没有自发极化，整个晶体的总电矩为零。在强直流电场的作用下， 反铁电体的P-E关系变化呈现双电滞回线，如图2.7所示1-4。临界特性是铁电体的重要特性。对位移型相变的材料，自发极化或 晶格自发极化强度随温度升高而减小，并在某一临界温度时变为零，这 个转变温度就是居里温度Tc。当温度高于Tc时，晶体发生结构相变， 自发极

22、化消失并呈现出对称相，称为顺电相。即：当TT c时，Ps=0。反铁电体也具有临界温度Tc,Tc以上为顺电相，Tc 以下为对称性较低的反铁电相，即：当TTc时，Pa=Pb=0 (其中，Ps为自发极化强度，Pa、Pb为反铁电体 两套子晶格的自发极化强度)。(9)当铁电体温度高于居里温度时，铁电体的介电常数；随温度T变化 关系符合居里一外斯(Curie-Weiss )定律：T To式中，To为居里-外斯特征温度，C为居里常数 2.1.3 热释电体热释电晶体只要温度变化，由于其自发极化强度随温度变化的缘 故，会在特定方向产生表面电荷，这就是最先由Brewster命名的热释 电现象。当晶体具有自发极化，

23、即晶体结构的某些方向正负电荷重心不 重合或者不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一极化轴时， 才有可能由于热膨胀引起电矩变化而导致热释电效应。有10种点群的 晶体具有热释电效应，如钛酸钡，硫酸三甘酞，一水合硫酸锂，铌酸锂 等。热释电体不同于铁电体；铁电体存在电滞回线；铁电体必须是热释 电体、压电体。2.2压电陶瓷的性能参数压电陶瓷的性能参数较多，其中比较常用的有介电常数、介质损耗、 机电耦合系数、压电常数、居里温度、频率常数、弹性系数等。1、介电常数介电常数是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，通常用 ；表示，其单位为法拉/米。有时也使用相对介电常数，它与介电常数的关系为：( 10

24、)式中；0为真空介电常数，其值为8.8510-12法拉/米。相对介电常数；r是一个没有量纲的物理量。2、介质损耗tan S任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变 电场中长期工作时，都有发热的现象。这种现象说明介质内部发生了某 种能量的耗散，这就是介质损耗。介质损耗是表征介质品质的一个重要 指标。在交变电场下，压电陶瓷所积累的电荷有两种分量：一种为有功部 分（同相），另一种为无功部分（异相）。前者由电导过程引起，后者 由介质驰豫过程引起。介质损耗即为上述的异相分量与同相分量的比 值，通常用tan S表示。称为介质损耗角，物理含义是在交变电场下 电介质的电位移D与电场强度E的相

25、位差。介质损耗的倒数称为电学品质因数Qe。一般说来，介质损耗越大，材料性能就越差。所以介质损耗是衡量 材料性能、选择材料、制作器件的重要依据之一。压电陶瓷的介电损耗 大致分为三种：漏电流损耗、介质不均匀所引起的损耗和电极化引起的 损耗。其主要的介电损耗是电极化引起的损耗。3、机械品质因数Qm机械品质因数Qm表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。产生机 械损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消 耗能量。机械品质因数Qm与机械损耗成反比。机械品质因数越高，能 量损耗就越小。不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm值有不同的要求，多数的陶 瓷滤波器要求压电陶瓷材料的Qm值要高，而音响器

26、件及接收型换能器 则要求Qm值要低。4、机电耦合系数K机电耦合系数K就是指压电材料中与压电效应相联系的相互作用 能密度与弹性密度和节电能密度的几何平均值之比。它是综合反映一定 性能的参数，机电耦合系数反映压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦 合效应。(11)转换获得的电（机械）能输入的总机械（电）能由于压电陶瓷元件的机械能与元件的形状和振动模式有关，因此对不同的振动模式有不同的耦合系数，常用以下五个基本耦合系数： 平面机电耦合系数kp（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作 径向伸缩振动时机电耦合效应的参数）。 横向机电耦合系数k3i（反映细长条沿厚度方向极化和电激励， 作长度伸缩振动的机电耦合效

27、应的参数）。 纵向机电耦合系数k33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作 长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。 厚度伸缩机电耦合系数kt （反映薄片沿厚度方向极化和电激励， 作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数）。 厚度切变机电耦合系数ki5 （反映矩形板沿长度方向极化，激励 电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数）。5、压电常数压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压”与“电” 之间的耦合效应，是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械 能）的比例常数，反映了应力（或应变）和电场（或电位移）之间的联 系，直接反映了材料及电性能的耦合关系和压电效应的强弱。压电

28、常数 不仅与机械边界条件有关，而且与电学边界条件有关。压电常数主要有 压电应变常数d、压电电压常数g、压电应力常数e和压电刚度常数h 等四组，其中压电应变常数d、压电电压常数g比较常用，且存在如下 关系：g=d（ 12）z式中，；是介电常数。6、居里温度Tc压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度Tc, 当温度高于Tc时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度Tc称为 居里温度。7、频率常数N对于某一陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子的振动方向的长 度之乘积是一个常数，这个常数就是频率常数。如果外加电场垂直于振 动方向，此谐振频率为串联谐振频率；如果外加电场平行于振动方向， 此谐

29、振频率为并联谐振频率。8、弹性系数压电陶瓷是一个弹性体，它服从胡克定律：在弹性限度范围内，应 力与应变成正比。压电陶瓷具有压电效应，因此在不同的电学条件下， 就有不同的弹性柔顺系数和弹性刚度系数。2.3压电陶瓷的主要结构压电陶瓷数目众多，类型也各不相同，但从晶体结构看，压电陶瓷 主要有三种类型，它们是钙钛矿结构、钨青铜结构和含铋层状结构。1、钙钛矿结构大多数有用的压电陶瓷都是钙钛矿结构，其通式为ABO 3，AB的价 态可为A2+B4+或A1 + B5+。图2.8是ABO 3钙钛矿结构示意图。简单立方 钙钛矿型结构（m3m点群）由一系列共有顶角的八面体（如图2.9所示） 排列而成，氧八面体的中心

30、是高价小半径的B位离子，如Ti、Sn、Zr、 Nb、Ta、W等，而在氧八面体内，则为大半径、低电价、配位数为12 的A位离子，如Na、K、Rb、Ca、Sr、Ba、Pb等。在构成钙钛矿化合 物时，离子半径应满足下列条件：Ra+ Ro=t 2 （Rb+Ro）（ 13）式中，Ra A离子的半径；Rb B离子的半径；Ro 氧离子的半径; t 容限因子。当t=1时，为理想钙钛矿结构。一般情况下，t值在0.86 1.03之间都可构成钙钛矿结构。图2.8 钙钛矿型结构4图2.9 ABQ型氧八面体结构四重对称轴)(2、3、4分别代表二重对称轴、三重对称轴、2. 钨青铜结构氧八面体铁电体中有一部分是以钨青铜结构

31、存在的，由于此类结构 类似四角钨青铜KxWO和NaxWO而得名。这一结构的基本特征是一个 四方晶胞包含10个BC6八面体，例如PbNSQ、NaSr2Nb50i5等。与钙钛矿结构相似，这类铁电体也具有氧八面体的网络结构，但比简单钙钛矿 结构复杂。氧八面体以共顶点的形式沿其四重轴叠置成堆垛，各堆垛再 以共点的形式连接起来。与钙钛矿结构不同的是，这些堆垛在垂直于四 重轴的平面内取向不一致，不同堆垛的氧八面体之间形成不同的空隙， 如图2.10所示。氧八面体a四方正交图2.10 钨青铜结构在(001)面上的投影图3. 含铋层状结构含铋层状结构的化合物也同样含有氧八面体，其晶体结构比较复 杂，但一般是由二

32、维的钙钛矿层和Bi 2C22+层有规则地相互交错排列而 成的，如图2.11所示的Bi 4Ti 3C12的晶体结构。含铋层状结构的组成可 用Bi 2C22+( Ax- 1BxQx+1 ) 2表示，其中，x是钙钛矿层厚度方向的元胞 数，其值可为15，A是较大的正离子，B是较小的正离子。含铋层状 结构化合物中有一部分具有铁电性，其特点是居里温度高，自发极化也 比较高，压电性能和介电性能各向异性大等。图2.11 Bi 4302晶体结构示意图三、压电陶瓷的应用及展望3.1压电陶瓷的应用随着高新技术的不断发展，压电陶瓷以其独特的性能，在商业、军 事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。可以毫

33、不 夸张地说，压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角 落，如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器；电子钟表、声 控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；银行、 商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要 用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器 官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪；家用电器中的电视机要用压电 陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器；收录机要用压电微音器、压电喇叭；照相机和录像机要用压电马达等表1压电陶瓷的应用应用领域举例电源压电变压器雷达，电视显象管，阴极射线管，盖克计数管，激光管和电 子复印机等高

34、压电源和压电点火装置信号源标准信号源震荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频 率标准信号源信号转换电声换能器拾音器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声 器件超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20kHz的超声器件发射与接受超声换能器水声换能器探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应， 超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器， 如彩电中频滤 波器；雷达，自控和计算机系统所用带通滤波器， 脉冲滤波器 等信号处理放大器声表面波信号放

35、大器以及震荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线加速度计压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等传感与计测角加速度计测量物体角加速度及控制飞行器航向的压电陀螺等红外探测器监视领空、检测大气污染浓度、非接触式测温以及热成像、 热电探测、跟踪器等位移发生器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角 度、光程长的控制器调制用于电光和声光调制的光阀、光闸、光 变频器和光偏转器、声开关等存储显示存储光信息存储器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器，组页器等其他非线性兀件压电继电器等压电陶瓷按其应用的工作状态可分为强激励

36、和弱激励两种类型。前者主要是利用压电陶瓷的能量转换特点把电能转换为机械能，或者反 之，工作在很高的激励状态下；后者则主要是利用其信息检测及处理方 面的性质，工作在很低的激励状态。表1列出了压电陶瓷的主要应用领 域。以下就压电陶瓷的一些主要应用领域作简要的介绍。1、在水声技术领域的应用水声换能器是压电 陶瓷的一项重要应 用，它主要是利 用压 电陶瓷的 正、逆压电效应以发射 声波或接受声波来 完成 水下观察、通讯 和探测工 作，包括海洋地质调查、海底地貌探测、编 制海图、航道疏通及港务工 程、海底电缆及管道敷设工程、导 航、海事救捞工程、指 导海业生产以 及海底和水中目标物的探测与识别等方面。压电

37、陶瓷材料用于 水声技术有发射、接受和兼具发射 接受 功能 三个 方面。用于发射换能器 的压电陶瓷材料要 求具 有高的驱动特性，即大功 率下损 耗小，承受 功率密度大，各项参数的稳定性 好；用 于接 受换 能器 的压电 陶瓷要求材料具有 高灵 敏度和平坦的频率响应，即 材料 应有高的 机电耦 合系数，大的介 电常数以及低的老 化特 性；而用于 兼有 发射和接 受的换能器则要求材料兼顾上述两者性能。2、在超声技术领域的应用压电陶瓷在超声技 术中的应用十分广 泛。利用压电陶 瓷的 逆压电效 应，在 高驱动电场 下产生高强度超声 波，并 以此作 为动力应用（如 超声 清洗、超 声 乳化、超声 焊接 、

38、超 声打孔、超 声粉碎、超 声 分散等装置上 的机电 换能器等方面）的压电陶瓷应 有高机械强度、高矫顽场、大 机电 耦合系 数以及良好的时间 稳定 性和温度稳定性；利用压电 陶瓷 的弯曲振 动、产 生位移和形变 等（如微位移控制器 、小型振动电动机、光束偏转 器、压 电继电器、流量 自控阀、录象 机磁头 自动扫描跟踪器等）的 压电 陶瓷应 具有大的压电应变 常数 和矫顽场；对 于采用一个压 电换 能器兼具 发射和 接收超声波两种功 能的 应用（ 如车辆计数器、电视机遥控、超 声 波测距计、液 面计、超 声波防盗、声 学探测机以及医疗超声器械等）的 压电陶瓷的要求则根据需要而定。压电陶瓷作为超声换能器具有结构简单、使用方便、灵 敏度高、选 择性好 、容易与电 源匹配、能耐 振动冲击、稳