压电陶瓷具有怎样的特点

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。

压电陶瓷的特点：压电陶瓷属于人造压电材料。压电材料是由于机械应力而可以发电的材料。当施加电压时，压电材料会发生形变。所有压电材料都是不导电的，以便产生压电效应并起作用。压电陶瓷产生与施加的机械应力相对应的电压。通常用作能量收集器，气体点火器和传感器以检测压力，加速度和角速度。压电陶瓷产生对应于施加电压的位移。这通常用于线性致动器应用，例如压电注射器，纳米定位和防振系统。与电子和液压执行器相比，压电陶瓷的优点是响应速度快，产生压力大以及操作共振精确。压电陶瓷在形状和尺寸方面具有固有振动。当施加具有一定频率的电场（称为谐振频率）时，压电陶瓷会以大幅度振动，从而显示出最大的电流。此特性用于超声波振动器，例如洗衣机，加湿器，声纳，电信号过滤器和超声波马达。

据我所知，目前，压电元件材料一般有三大类，即压电晶体、压电半导体和压电陶瓷材料。

压电材料中研究得比较早的压电晶体是石英晶体，它的机电性能稳定，没有内耗，它在频率稳定器、扩音器、电话、钟表等领域里都有广泛应用。此外，酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钽酸锂、铌酸锂、碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。

压电半导体材料主要有CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe等IIB～VIA族化合物及GaAs、GaSb、InAs、InSb、AIN等Ⅲ～ⅤA族化合物。目前，在微声技术上用得最多的是CdS、CdSe和ZnO。

压电陶瓷材料主要有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）和锆钛酸铅。其中，钛酸钡是第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体，钛酸钡单晶的介电常数各向异性显著，沿极化轴方向的介电常数比垂直于极化轴方向小得多，但极化陶瓷的各向异性比单晶小得多，陶瓷的介电常数与晶粒大小和密度有关。钛酸铅是一种典型的钙钛矿结构铁电体，其晶格结构与钛酸钡相似，钛酸铅晶体结构的各向异性大，矫顽电场又高，因此对致密的纯钛酸铅陶瓷很难获得优良的压电性能。钛酸铅陶瓷制备中的改性主要是通过添加物改善其工艺性能，以便获得电阻率较高又不开裂的致密陶瓷体。其中比较成功的途径是加入高价离子置换Pb2+或Ti4+，在晶格中生成A缺位。由于钛酸铅陶瓷介电常数低，机械品质因数高，适于高频和高温下应用。锆钛酸铅压电陶瓷是由锆酸铅和钛酸铅构成的固溶体压电陶瓷材料。锆酸铅(PhZrO3）也是一种具有钙钛矿结构的化合物，但在室温下却是斜方反铁电体。对锆钛酸铅固溶体压电陶瓷的改性主要途径是在化学组成上作适当地变化，即离子置换形成固溶体或添加少量杂质，以获得所要求的电学性能和压电性能。

打火机里的那个压电器是压电陶瓷元件，压电陶瓷在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷。因此，当压电陶瓷元件受到冲击压力时，将机械能转换为电能，在尖端放出瞬时高压电火花，点燃燃料。

压电点火器是以压电效应为理论基础、以压电陶瓷为介质而生产的手动点火装置，多用于各种燃气具，如燃气灶、燃气热水器、燃气冰箱等。相对于脉冲点火，压电点火有放电时间短、手动操作、点火成功率低等缺点，正被脉冲点火器逐步淘汰。

扩展资料：

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。

参考资料来源：百度百科-压电陶瓷