压电陶瓷是如何具有压电效应的

压电陶瓷是一种能够将 机械能和电能互相转换的 功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的 机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作 压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离，这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价 金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。

压电陶瓷是一种人工合成的压电材料。当受到外界压力时，两面会产生电荷，电荷量与压力成正比，这种现象称为压电效应。压电陶瓷具有压电效应，即在外电场作用下，会产生形变，所以压电陶瓷片可用作发声元件。利用压电陶瓷片的压电效应，可用万用表判断其好坏。将压电陶瓷片的两极引出两根导线，然后把陶瓷片平放到桌子上，将两根引线分别接至万用表两表笔上，把万用表拨至最小电流挡，然后用铅笔橡皮头轻按陶瓷片，若万用表指针明显摆动，说明陶瓷片完好，否则，说明已损坏。"志高仪器专业提供:分析仪器,科学仪器,光学仪器,实验仪器,无损检测,电子侧量,工业控制,自动化,电力设备,压力,物位,流量,温度,校准,校验,传感器,变送器,分析仪,测试仪,检测仪,色谱,光谱,电工,示波器,测温仪,流量计,酸度计,探伤仪,振动仪,硬度计,试验机,水分测定,监测仪,电泳仪,测定仪,万用表,水质分析,示波器 ,热分析,分光光度计,电化学,低温,表面,比表面,便携式,衍射仪,PH计,COD测定,天平,元素分析仪,试验箱,超声波,工控机,老化箱,测厚仪等产品" 联系地址：广东省深圳市南山区东滨路世纪广场西座729室

有一种压电陶瓷，它能使机械能和电能互相转换，为我们做许许多多有益的事情呢。

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。我们在上面提到的压电陶瓷，是一种先进功能陶瓷，它具有压电效应。

当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。

压电陶瓷不同于一般陶瓷,它是具有压电效应

的多晶体。目前使用最多的压电陶瓷如钛酸钡

(BaTiO2 ) 和锆钛酸铅(简称PZT) 等。压电陶瓷的结构随温度变化而改变。当温度高于居里温度Tc 时,晶格为立方晶格无压电效应当温度低于Tc 时,压电陶瓷为四方晶格,此晶格具有压电效应。即在低于居里温度的条件下,对压电陶瓷施加足够强的直流电场,使晶体中极化小区(电畴) 的极化方向与电场方向一致。当外电场去掉后仍有很强的剩余极化,所以当有外力作用时在垂直于极化方向的平面上则出现与外力成正比的电荷.

压电陶瓷不是在任何方向都存在压电效应,只有垂直于极化方向的表面上才能产生电荷

压电陶瓷换能器的原理是：当对这种陶瓷片施加压力或拉力，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流。这种效应称为压电效应。如果把用这种压电陶瓷做成的换能器放在水中，那么在声波的作用下，在其两端便会感应出电荷来，这就是声波接收器。而且，压电效应是可逆的，假如在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波。这样超声波发射器的问题也就解决了。

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

导语：众所周知，压电陶瓷属于一种具备压电性、介电性、弹性等优良特性的电子陶瓷材料。压电陶瓷在机械效应下，会发生一些压电效应，这种反应十分具有灵敏性，充分利用之便可广泛应用于医学领域和声学领域。其实据小编了解，压电陶瓷除了作用于这些高科技领域之外，与我们日常生活也是密不可分的。那么，压电陶瓷的原理究竟是什么，让我们一起来看看吧。

　　压电性质的宏观解释

我们知道构成陶瓷分子的晶相是晶粒，这种晶粒是具有铁电性的，因为陶瓷内部的晶粒的取向具有随机性，所以内部的各个铁电性晶粒的自发极化矢量也是没有规律可循的，也就是呈混乱取向。因而为了使陶瓷表现出我们想要得到的压电特性，可以对其进行强直流电场下的极化处理。经过处理之后，混乱的取向自然而然会变成最优化的取向。在电场撤离之后，陶瓷不会完全恢复原状态，而是会剩余一部分极化强度，因此具备了压电性。

压电陶瓷的原理

    正压电效应物理机制

上述的极化处理显然是使陶瓷具备压电性至关重要的一步，这一步的物理机制可以用电荷来解释。极化后的陶瓷片会有束缚电荷出现在两端，外界的自由电荷会被吸附到电极表面上，这是一个充电的过程。这时，当有外力压向陶瓷片时，两端就会向外界放电反之，当有外力反向作用时，两端将会进行充电。这个过程实现了机械效应向电效应的转换，因而该现象又叫做正压电效应。

逆压电效应物理机制

除上面提到的极化方法之外，压电陶瓷也具备了自发极化的功能。这种极化会在外电场下发生变化，进而使得压电陶瓷变形。与自发极化方向相同的外电场叫正向电场，它会增强压电陶瓷的极化强度，使片体沿着极化方向伸长，反之如果加上了反向电场，相对应极化强度会减弱陶瓷将会沿着极化方向进行缩短。这个过程刚刚好是上述过程的逆过程，它实现了电效应向机械效应的转换，故此现象是逆压电效应。

压电陶瓷的出现，使得一些传统材料望其项背，达不到其优秀的物理特性和广泛的应用前景。压电陶瓷虽是一种新型材料，却因其简单的原理使其合成方便，具有亲民性。相信未来的压电陶瓷能克服种种障碍，为人类的生活提供更好的服务。