锆钛酸铅系压电陶瓷

定义与组成

锆钛酸铅系压电陶瓷是锆钛酸铅（PbZrO₃-PbTiO₃，简称PZT，取自Pb、Zr、Ti三个元素符号首字母）为基的固溶体压电陶瓷，属多晶铁电陶瓷。它是1955年由美国B.Jaffe等人发现的压电性优于钛酸钡的材料，现为压电式传感器中最常用的压电陶瓷。

压电性的来源

压电陶瓷需经极化处理才具有压电效应。未极化时，陶瓷内部各晶粒的电畴取向杂乱，宏观上不表现压电性；在强直流电场下极化后，电畴沿外电场方向择优取向，撤去电场后剩余极化保留，于是在垂直于极化方向的表面上出现束缚电荷，材料呈现宏观压电效应。外力使材料产生与极化方向相关的内应变时，剩余极化强度改变，表面电荷随之变化，电荷量与外力成正比，即正压电效应。

与钛酸钡、石英的比较

钛酸钡（BaTiO₃）是最早发现的压电陶瓷，压电系数和介电常数较高，但机械强度不如石英，工作温度较低（最高约70℃）。石英晶体的压电系数不大，但居里点高（573℃）、机械强度高、时间稳定性好。PZT的压电系数比石英大得多，故用其制成的压电式传感器灵敏度较高；其工作温度较高，且机电参数随温度、时间等外界条件变化小，稳定性优于钛酸钡，但机械强度和时间稳定性仍不如石英晶体。

微量掺杂的作用

在PZT基方中添加一两种微量元素，可改变其性能，以适应不同应用需求（如改变压电系数、介电常数、机械品质因数等）。教材表6-1列出PZT-4、PZT-5、PZT-8等不同牌号，其压电系数、相对介电常数、机械品质因数、居里点等参数各有差异，说明掺杂与配方调整可得到性能侧重点不同的PZT材料。

PMN压电陶瓷

铌镁酸铅（Pb(MgNb)O₃-PbTiO₃-PbZrO₃，简称PMN）具有较高的压电系数，在压力高达700kg/cm²时仍能工作，可用作高温下的力传感器。

主要特性参数

• 压电系数：衡量压电效应强弱，影响压电输出灵敏度，单位C/N。
• 弹性系数：决定压电器件的固有频率和动态特性，单位N/m²。
• 介电常数：影响压电元件的固有电容，进而影响压电式传感器的频率下限。
• 机电耦合系数：转换后输出能量与转换前输入能量之比的二次方根，正压电效应为√(电能/机械能)，逆压电效应为√(机械能/电能)，衡量能量转换效率。
• 电阻：绝缘电阻减少电荷泄漏，改善低频特性。
• 居里点：材料开始失去压电特性的温度，PZT系居里点约260～310℃（不同牌号有差异）。

选取原则

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（机械强度高、刚度大，以获得宽线性范围和高固有振动频率）、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获良好低频特性）、温度湿度稳定性（高居里点以获宽工作温度范围）、时间稳定性（压电特性不随时间退化）。PZT在压电系数和温度、时间稳定性方面综合较好，故应用广泛。需注意PZT含铅，对环境和健康有一定危害，目前正研制无铅压电陶瓷替代。