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压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用

摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。

关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展

引言

1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候在a石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年，德国物理学家沃德马·沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1]

石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。

除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。

1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料

(PVDF),现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今，随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升，更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。

一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理

压电效应包含正压电效应与逆压电效应，当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，而逆压电效应是把电能转换为机械能。

1.1压电效应原理

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形

变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

对于压电(单)晶体，其本身就具有压电性。以石英为例，当没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如上图a示。这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿X方向压缩，如上图b所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。

这一现象称为纵向压电效应。

若沿Y方向压缩，如上图c所示，硅离子3和氧离子2,以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在X或Y轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在Z轴方向施力

时，不能产生压电效应。

图1.石英的压电效应原理

而对于压电陶瓷而言，在未进行极化处理时，不具有压电性；经过极化处理后，它的压电性非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。在极化前，每个单晶形成一个单个的电畴，无数个单晶电畴无规则排列，知识原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使其具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其加强