压电陶瓷基本术语介绍

1、压电陶瓷基本术语介绍极化 polarization在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电 介质的极化。自发极化 spontaneous polarization在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极 化，称为自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。 它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2。铁电性 ferroelectricity某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向， 材料的这种特性称为铁电性。铁电畴 ferroeletric domain

2、铁电体内部分成若干个小区域，自发极化方向一致的区域称为铁电畴，简称电畴。两个畴 之间的界面称为畴壁。电滞回线 ferroelectric hysteresis loop在较强的交变电场作用下，铁电体的极化强度P随外电场呈非线性变化，而且在一定的温 度范围内，P表现为电场的双值函数，呈现出滞后现象，如图1所示。这个P-E （或D-E ）回 线就称为电滞回线。反铁电性 anti-ferroelectricty反铁电体是一种反极性晶体。由顺电相向反铁电相转变时，高温相的两个相邻晶胞产生反 平行的电偶极子而成为子晶格，两者构成一个新的晶胞。因此，晶胞的体积增大一倍。其自由能 与该晶体的铁电态自由能很接

3、近，因而在外加电场作用下，它可由反极性相转变到铁电相，故可 观察到双电滞回线。这种性质称为反铁电性。钙钛结构矿 perovskite structure具有钙钛矿结构的铁电，压电陶瓷属于ABO3型氧八面体，其中A为一价或二价金属离子， 而B为四价或五价金属。半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子 的顶角，体心和面心。如图所示。这种结构也可看成是一组BO6八面体按简立方图样排列而成， 各氧八面体由公有的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之间的空隙，钙钛矿原胞是立方的，也 可畸变成具有三角和四方对称性。钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅和KxNa1-xNbO3等铁电压电陶瓷具 有钙钛矿

4、结构。钨青铜结构 tungsten-bronze structure具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10 个BO6八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有 钨青铜结构。铋层状结构 bismuth layer structure铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与Bi2O12层交替叠成的。其中类钙钛矿 层可以是一层如Bi2WO6,二层如PbBi2Nb3O9，三层如Bi4Ti8O12以至五层。在类钙钛矿层 中，其正离子可被许多离子取代。焦绿石结构 pyrochlore structure焦绿石结构是由共同顶角

5、的NbO6或TaO6氧八面体组成，而较大的Cd2+或Pb2+离子位 于氧八面体之间的间隙中。这种结构的铁电体仅出现在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限 几种化合物中居里温度 Curie temperature铁电或反铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电反铁电性，它有一临界温度Tc.。 当温度高于Tc时，铁电或反铁电相转变为顺电相，自发极化消失。这个临界温度TC就称为铁 电或反铁电陶瓷的居里温度。压电效应 piezoelectric effect对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介 质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力

6、范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系，这 种现象称为压电效应或正压电效应。反之，如果把具有压电效应的介质置于外电场中，由于电场 的作用会引起介质内部正负电荷中心位移，而这一位移又使介质发生形变。在一定电场强度范围 内，电场强度与形变呈线性可逆关系，这种效应称为逆压电效应。热释电效应 pyroelectric effect由于温度的变化，热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的 自发极化强度发生变化，从而在它们的两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为热释电效应。具 有这种性质的材料称为热释电体。压电陶瓷属于热释电体。若不考虑温度的不均匀性，热释电体 一般具有一级和二级热释电效应

7、。其中二级热释电效应是由于温度变化引起材料形变，再由压电 效应产生电荷的二级效应。一般情况下，若温度变化率相同，升降温过程中产生的热释电电荷大 小相等，但符号相反。压电陶瓷的种类铁电陶瓷 ferroelecteic ceramics具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。从晶体结构来看，铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛 矿结构，钨青铜结构，铋层状结构和焦绿石结构等。反铁电陶瓷 antiferroelectric ceramics具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。压电陶瓷 piezoelectric ceramics具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷，由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向， 故没有压

8、电性。极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。在撤去电场后，陶瓷体仍保留着一 定的总体剩余极化，故使陶瓷体有了压电性，成为压电陶瓷。在高温的高温度梯度场中定向析晶 的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。钛酸钡陶瓷 barium titanate ceramics钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要 原料，预先合成后再在高温下烧结而成的。钛酸铅陶瓷 lead titanate ceramics钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅或氧化铅和二氧化 钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。二元系陶瓷 binary system c

9、eramies二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体，其中A代表二价的 正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等，B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+ 或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi1-xO3。通过调节两种ABO3型结构的克 分子比，以及用取代元素和添加物改性的方法，可以获得各种不同用途的材料。锆钛酸铅陶瓷 Lead zirconate ceramic锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷，这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3 的固溶体，具有钙钛矿型结构，当锆钛比为53/47左右

10、即共晶相界附近时，具有最强的压电性 能匕。三元系陶瓷 ternary system ceramics三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅PbZrO3-PbTiO3中二元系再增加第三 种化学通式为ABO3型化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分，它们的共同特点 是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。铌酸盐系陶瓷 niobate system piezoelectric ceramics铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷，各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型如 KnbO3，钨青铜型如便铌酸铅PbNb2O6和焦绿石型如Cd2Nb2O7等结

11、构。它们的居里温度高， 介电常数小和声速大，尤其偏铌酸铅的机械品质因数QM很低，适用于超声检测。电光透明铁电陶瓷 electeo-optictransparent ferroelectricceramics通常指掺蠲La的锆钛酸铅PZT陶瓷等，简称PLZT，另外还有掺铋的锆钛酸铅等，它们 都有电光效应。在铁电陶瓷中，电畴状态的变化伴随着光学性质的改变，通过外加电场对透明陶 瓷电畴状态的控制，可有电控双折射细晶陶瓷和电控光散射粗晶陶瓷等特性。铁电陶瓷薄膜 ferroelectric ceramic thin films铁电陶瓷薄膜是具有铁电性的多晶膜，可具有压电和热释电性以及线性或二次电光效应和 非线性光学效应等特性。可用它制造热释电探测器以及随机读取存储器等，并便于器件的小型化 以及与微电子和光电子学集成。目前制备铁电陶瓷薄膜的主要方法有分子束外延，磁控溅射， 化学气相沉积和溶胶-凝胶SolGel等方法。薄膜基片和晶化温度对薄膜晶粒的取向度有重要影 响。压电复合材料 piezoelectric composites压电复合材料一般是由压电陶瓷和高分子聚合物或其它材料复合而成的。通过改变复合 材料中各组元