钛酸钡压电陶瓷

定义与地位

钛酸钡（BaTiO₃）是最早发现的压电陶瓷，属于多晶体陶瓷类压电材料。压电陶瓷需经极化处理后才具有压电效应：极化前晶粒电畴取向杂乱，宏观不表现压电性；在强外电场下电畴转向外场方向，撤去电场后保留剩余极化，才在极化方向呈现压电效应。

主要特性

• 压电系数比石英大几十倍，压电效应明显，做成传感器灵敏度较高。
• 介电常数高（相对介电常数约1200），电阻率较高。
• 居里点约120℃，工作温度较低（教材给出最高约70℃），超过居里点压电性消失。
• 比石英容易制成特殊形状元件（如圆环形），且相对于其他压电陶瓷（如PZT）更容易极化。
• 机械强度不如石英；压电系数会随时间增加或温度升高而减小，时间稳定性不如石英。

与石英及PZT的技术关系

石英是较好的单晶体压电材料：居里点573℃，20～200℃内压电系数温度系数约10⁻⁶/℃，弹性系数大、机械强度高、冲击下漂移小，但压电系数小，多用于大量值力/加速度测量或标准传感器。
PZT系（锆钛酸铅）以PbTiO₃和PbZrO₃共熔体Pb(ZrTi)O₃为基础，添加一两种微量其他元素（如Nb、Sb、Sn、Mn、W）以获得不同性能；居里点约300℃，工作温度较高、性能较稳定，但极化较困难，且含铅对环境和健康有危害。
PMN（铌镁酸铅系）压电系数较高，教材示例给出其在压力高达700kgf/cm²（约68.6MPa）时仍能工作，可用作高温下的力传感器；该数值为特定条件下的示例，并非所有PMN体系的统一极限。

选用要点

选用压电材料一般考虑：转换性能（高耦合系数或大压电系数）、机械性能（强度高、刚度大以获得宽线性范围和高的固有振动频率）、电性能（高电阻率和大介电常数以减弱外部分布电容影响并改善低频特性）、温湿度稳定性（高居里点以获得宽工作温度范围）、时间稳定性（压电特性不随时间退化）。钛酸钡适合常温、中等受力、需要高灵敏度和易成形元件的场合；高温或高稳定性要求应选石英或PZT等。