關(guān)于壓電陶瓷的初步認(rèn)識

摘 要：壓電陶瓷作為一種功能陶瓷已廣泛深入到人們的日常生活中。通過對壓電陶瓷文獻(xiàn)的收集及分析，了解到晶體無對稱中心的微觀特性是壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)的必要條件。本文從科普角度介紹了壓電陶瓷的工作原理、用途及發(fā)展趨勢等知識，并以此給出了3點有意義的啟示。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷，基本原理，用途，發(fā)展趨勢，啟示

陶瓷是古老中國的代名詞，歷史悠久，種類繁多。陶瓷從花瓶、碗碟等器皿發(fā)展到現(xiàn)在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶體的微觀極化特性的發(fā)現(xiàn)[ 1 ]。功能陶瓷是以電、磁、聲、光、熱和力學(xué)等信息的存儲、檢測、耦合及轉(zhuǎn)換等主要特征的介質(zhì)材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領(lǐng)域的主流材料之一[ 2 ]。

有些材料的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)缺乏對稱中心，使其具有或多或少的壓電性質(zhì)。這些材料在純粹的機械作用下會發(fā)生極化現(xiàn)象，使介質(zhì)兩端分別帶有符號相反的彼此束縛的電荷，即產(chǎn)生壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的陶瓷被稱為壓電陶瓷[ 3 ]。

陶瓷是一種用任意方式結(jié)合在一起的單晶體團(tuán)塊，而壓電陶瓷的單晶體中存在正負(fù)電荷中心不重合的電偶極矩。這種電偶極矩是制備壓電陶瓷過程中，介質(zhì)材料從高溫狀態(tài)冷卻并低過居里溫度時自發(fā)形成的，也稱為自發(fā)極化特征，這是壓電陶瓷所特有的微觀本質(zhì)特征[ 4 ]。

一、壓電陶瓷是如何工作的？

壓電材料具有一種能力，即可將應(yīng)變能信號轉(zhuǎn)換成電能信號或者將電能信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變能信號。這樣，它的工作方式可為以下兩種情況：一種是利用壓電材料的主動控制能力，以激勵器（源）的形式工作；另一種是利用壓電材料的被動控制能力，以傳感器的方式工作，這種方式又稱為分流阻尼控制。

在壓電介質(zhì)的兩端外接上分流電路，壓電材料會發(fā)生形變，并在兩端產(chǎn)生符號各異的束縛電荷，這些電荷起到分流阻尼減振的功能，以熱能形式消耗掉相應(yīng)的機械能或聲能。

壓電陶瓷的工作特點可歸納為3點。

第一，“壓電”中的“壓”，呈現(xiàn)了力的概念，包括作用力、彈性力等由各種物理波場產(chǎn)生的力。而“壓電”中的“電”是電學(xué)概念，與電荷、電壓、電流相聯(lián)系?！皦骸毕颉半姟钡恼蜻\轉(zhuǎn)說明機械力的作用下會產(chǎn)生電。

第二，“電”向“力”的轉(zhuǎn)換，這是上一過程的逆過程，說明依據(jù)電場的電能可以產(chǎn)生機械力。無論是“壓”向“電”轉(zhuǎn)換、還是“電”向“力”轉(zhuǎn)換，都要伴隨著介質(zhì)形變，也就是說壓電介質(zhì)的形變主導(dǎo)了這兩個轉(zhuǎn)換過程。

第三，頻率對壓電陶瓷的阻抗作用，表現(xiàn)為不同頻率區(qū)間介質(zhì)的阻抗性質(zhì)也不同。在某一諧振頻率處，若特定形狀的壓電陶瓷器件呈現(xiàn)了阻抗最小值，那么，在反諧振頻率處就會呈現(xiàn)阻抗最大值。人們給壓電陶瓷元件加上諧振頻率的電功率，元件會發(fā)生交替伸縮形變，并以彈性波的形式傳播出去。

二、壓電陶瓷在實際生活中的作用

在傳感器、報警器、音響設(shè)備、醫(yī)療診斷等裝置中都可見到壓電陶瓷的身影。依據(jù)壓電陶瓷的諧振特性而制作的壓電振子，其壓電、彈性、介電等性能穩(wěn)定，機械品質(zhì)因數(shù)高；依據(jù)壓電陶瓷的功能轉(zhuǎn)換特性制作的壓電換能器，可以將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式。常見的有高溫高壓探頭及多元長線陣，在油田勘探、深?？疾?、地震監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。

利用壓電陶瓷電—形變—力和阻抗頻率特性制作的聲納系統(tǒng)，通過激發(fā)電信號來產(chǎn)生超聲波并發(fā)射入水，這些波在水中傳播，搜索目標(biāo)，聲納系統(tǒng)依據(jù)目標(biāo)反射波來分析目標(biāo)距離、形狀等信息。B型超聲檢查儀探頭的核心部件也是由壓電陶瓷制成的，它將聲波送入人體內(nèi)并接收由體內(nèi)返回的信號，在B超檢查顯示屏上給出有關(guān)人體器官的表面及深度信息，用于分析診斷病情。

三、壓電陶瓷的發(fā)展趨勢

（一）向適應(yīng)高端技術(shù)應(yīng)用方向發(fā)展

近年來，電子計算機、宇航、激光及能源等新技術(shù)的發(fā)展，促使壓電陶瓷向不同頻段下調(diào)整介電常數(shù)、溫度系數(shù)的精細(xì)方向發(fā)展[ 5 ]。

高聚物復(fù)合材料壓電陶瓷目前在國際上異?；钴S[ 6 ]。為使壓電復(fù)合材料具有更精密的空間結(jié)構(gòu)，一系列新的成型工藝，包括脫模法、注模成型法、共擠出法等應(yīng)運而生，可獲得精度在50-100μm甚至20μm的精細(xì)結(jié)構(gòu)。新興的快速成型工藝為制作幾何形狀獨特的壓電復(fù)合材料提供了可能，如陶瓷柱呈Z形排列、螺旋形和套筒狀復(fù)合材料。

（二）向無鉛環(huán)保型方向發(fā)展

在鉛基壓電陶瓷生產(chǎn)施工及廢棄后的處理過程中，PbO都會給人類的生態(tài)環(huán)境造成危害。因此無鉛或低鉛壓電陶瓷開發(fā)已成為目前研究的主流[ 6 ]。最早使用的無鉛壓電陶瓷材料是BaTiO3（BT）。目前最具吸引力的無鉛壓電陶瓷材料是Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）等鈉鈦礦型系列材料，這種材料具有鐵電性強、壓電常數(shù)大、燒結(jié)溫度較低等特性。最近幾年，含鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷的研究和開發(fā)極有可能在某些電子產(chǎn)品中得到實際應(yīng)用。

四、結(jié)語

通過對壓電陶瓷相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，得到以下有意義的啟示：

1）應(yīng)善于發(fā)覺實際需求，并以滿足需求為目標(biāo)，深化材料的研發(fā)應(yīng)用。高科技領(lǐng)域的多方面需求，是壓電陶瓷應(yīng)用發(fā)展的源動力。

2）材料的應(yīng)用與配套技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的：材料的創(chuàng)新應(yīng)用，為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如壓電陶瓷的使用，促進(jìn)了傳感器技術(shù)、超聲技術(shù)、表面波技術(shù)等發(fā)展；同時，配套技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了材料的深化應(yīng)用。

3）材料應(yīng)用以及技術(shù)發(fā)展，均應(yīng)以滿足安全環(huán)保為前提條件。壓電陶瓷也正向無鉛環(huán)保型方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董顯林.功能陶瓷研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢.中國科學(xué)院院刊，2003（6）：1-4.

[2] 李龍土.功能陶瓷材料研究的若干進(jìn)展.功能材料信息，2005（1）：14-16

[3] B.賈菲，等著，林聲和譯.壓電陶瓷.科學(xué)出版社.1979：1-20.

[4] ZHANG S T，ZHANG Y.Structures and dielectric properties of BZNT thin films. Appl. Phys. Lett.，2007，90：042903.

[5] 張效華，辛鳳，等.幾種電子陶瓷材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景.陶瓷學(xué)報，2013，34（2）：219-224.

[6] 王珂，沈宗洋，等.鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的現(xiàn)狀、機遇和挑戰(zhàn).無機材料學(xué)報，2014，29（1）：13-19.

作者簡介：孫沁瑤（1998-），南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2016級在讀本科生。