压电陶瓷

定义与分类

压电材料分为压电晶体（单晶体）和压电陶瓷（多晶体）两大类。压电晶体包括石英晶体、水溶性压电晶体（如酒石酸钾钠）和铌酸锂晶体等；压电陶瓷包括钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷等。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，其压电效应机理与单晶压电晶体不同。

电畴与人工极化

压电陶瓷内部由许多晶粒组成，晶粒内存在许多自发极化的小区域，称为电畴。未极化时，各电畴方向杂乱无章，极化效应相互抵消，材料整体呈电中性，不具有压电性质。

要使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理：在陶瓷上加足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使电畴转向，使自发极化沿电场方向定向排列。外电场越强，极化程度越高；当电场强度大到使极化达到饱和，所有电畴的极化方向都与外电场方向一致，去掉外电场后，材料整体的极化方向基本不变，即出现剩余极化，此时材料具有压电特性。因此，压电陶瓷要具有压电效应，需在制造时极化，使用正效应时不要求持续外加电场。

束缚电荷与自由电荷的屏蔽

已极化的陶瓷片内部极化强度以电偶极矩形式表现，导致陶瓷片两端出现束缚电荷。这些束缚电荷会吸附一层来自外界的自由电荷，自由电荷与束缚电荷符号相反、数量相等，从而屏蔽并抵消了极化强度对外界的作用。因此，将电压表接至已极化陶瓷片电极时，无法测出内部极化强度。

正压电效应

当陶瓷片受到与极化方向平行的外力时，产生压缩变形，片内束缚电荷距离变小，电畴偏转导致极化强度减小，部分自由电荷被释放，出现放电现象。压力撤消后，陶瓷片恢复原状，正负电荷距离变大，极化强度增大，电极重新吸附部分自由电荷，出现充电现象。放电电荷量与外力大小成比例关系，即

式中，$Q$ 为释放或吸附的电荷量，单位为 C；$d_{33}$ 为压电系数，单位为 C/N；$F$ 为沿极化方向施加的外力，单位为 N。

压电系数的下标与坐标轴

极化方向定为 Z 轴（下标 3，即对称轴）；垂直于 Z 轴的平面内任意正交轴为 X 轴和 Y 轴（下标 1 和 2）。由于 X 轴和 Y 轴在垂直于极化方向的平面内可任意选取，下标 1 和 2 可以互换。

常见压电陶瓷材料

• 钛酸钡（BaTiO₃）：具有较高的压电系数和介电常数，但机械强度不如石英。
• 锆钛酸铅（Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃，PZT）：压电系数较高，机电参数随温度、时间等外界条件变化小；在基方中添加一两种微量元素可改变其性能。
• 铌镁酸铅（Pb(MgNb)O₃-PbTiO₃-PbZrO₃，PMN）：具有较高的压电系数，在压力高达 700 kg/cm² 时仍能工作，可用作高温下的力传感器。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，因此用它做成的压电式传感器灵敏度较高，但稳定性（压电系数会随时间增加或温度升高而减小，晶粒极化方向逐渐失去一致性，压电特性减弱甚至消失）和机械强度等不如石英晶体。