压电陶瓷的发展历史有哪些呢

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。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。当在某些各向异性的晶体材料上施加机械应力时，在晶体的某些表面上会有电荷出现。这一效应称为正压电效应，晶体的这一性质，称为压电性。1880年，居里兄弟最早发现电气石具有压电效应，1881年，居里兄弟实验发现，在晶体上施加电压时，则晶体会产生几何形变。这一效应被称为逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数。1894年沃伊特(Voigt)指出，仅无对称中心的20种点群的晶体才可能具有压电效应。石英是压电晶体的代表，它一直被广泛应用至今。利用石英的压电效应可制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居罩的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电效应应用史的光辉篇章。

自发现压电性能以来，压电学己成为晶体物理学的一个重要分支。直到1944年，人们对“压电陶瓷”这个术语仍不理解。大约在1940年以前，只知道有两类铁电体，一类是罗息盐与某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾和它的同晶型物。前者是一种在高温下具有压电性的晶体，在技术上具有使用价值，但是它有容易潮解的缺点；后者要在极低的温度(低于148℃)下才具有压电性，因此工程上应用价值不大。二次大战中，1942年到1945年期间，美国的韦纳等人、苏联的伍尔和戈德曼、日本的小川分别发现钛酸钡(BaTiO3)具有异常高的介电常数。此后不久，有人发现BaTi03具有压电性。BaTiO3陶瓷的发现是压电陶瓷材料的一个飞跃。在此以前，压电材料只是压电单晶材料。从此以后，压电材料有了两大类：压电单晶和压电陶瓷。

1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性，同年，美国出现了用BaTi03陶瓷制造的留声机用拾音器。由于BaTiO3压电陶瓷材料和石英晶体、罗息盐压电单晶相比，具有制备容易，且可制成任意形状和任意极化方向的产品等优点，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件应用研究，这种研究一直进行到20世纪50年代中期。虽然如此，BaTiO3陶瓷也有缺点，即它的压电性比罗息盐弱，而且压电性随温度和时间变化又比石英晶体大。为了提高这些方面的性能，有人对BaTi03陶瓷进行了改性试验。通过改性试验除了获得一些改良型的BaTi03陶瓷材料外，还发现了许多与BaTiO3有类似结构的AB03型铁电体或反铁电体。这些实验结果为以后发现新压电材料打下了良好的基础。1954年美国B．贾菲等人发现了压电PbZr03一PbTiO3(PZT)固溶体系统。这一系统材料具有比BaTi03更为优越的性能。在此系统中，各种材料的居里点都比BaTi03高，并存在着与温度无关的准同型相界(MPB)。准同型相界附近的组成，其机电耦合系数、机械品质因数都比BaTi03的大，温度稳定性和时间稳定性都比BaTiO3的好。且经过改性以后，它的压电性能还能提高。由于PZT具有良好的压电性，使它一出现就在压电应用领域逐步取代了BaTiO3的地位。PZT系压电陶瓷的出现对压电陶瓷来说，是一件划时代的大事，它使许多在BaTi03时代不能制作的器件成为可能，并且以后又从它派生出一系列新的压电陶瓷材料。1965年，日本根据斯摩棱斯基法则，在PZT的基础上添加复合钙钛矿型结晶结构的第三成分——铌镁酸铅(Pb(Mg1／3Nb2／3)O3，研制成三元系压电陶瓷材料PCM。这种三元系压电陶瓷材料比PZT陶瓷更易于烧结，而PbO挥发极少，其相界由PZT的点扩展为线，因而其可供选择的组成范围更广，具有比PZT更为优越的性能。故自PCM问世以后，以诸如Pb(Mgl／3Sb2／3)03、Pb(Col，3Nb2，3)03等不同复合钙钛矿型化合物为第三成分及第四成分的三元系、四元系压电陶瓷材料陆续出现122,231。

20世纪70年代中期，Newhnma等人以及他们的合作者提出了柱状PZT

陶瓷周期排列的1．3型压电复合材料的理论模型，分析了其中的横向结构模，

对压电陶瓷棒或压电陶瓷纤维在聚合物基体中的排布问题进行了大量的理论和

实验研究工作，测试了不同陶瓷体积含量压电复合材料的电学特性，并将压电

复合材料应用于水声探测器中。

1988年，清华大学柴京鹤等人对PZT压电陶瓷的低温烧结进行了研究，

他们通过添加少量低熔玻璃以达到降低烧结温度的目的。他们对陶瓷显微结

构、烧结机理和添加剂的作用进行了讨论，所研制的低温烧结瓷料已用于制备

独石压电陶瓷变压器，其空载交流升压比可高达9000以上【24J。

90年代中期，江苏陶瓷研究所的诸爱珍对PZT压电陶瓷的掺杂改性着重作了一些研究和探讨，通过实验总结出等价离子和不等价离子置换Pb2+引起材

料性能改变的一般规律，其中不等价离子包括“硬性’’添加物和“软性’’添加物，以及其它一些添加物。同时实验还表明，单独加入一种添加物往往不能满足性能的要求。为了取长补短，常常用两种或两种以上添加物同时加入，以获得理想的材料性能。

作为PZT的一个基本组成成分PbTi03虽被发现甚早，但由于其烧结困难等制造工艺上原因，长期内不能实际应用。在研究开发PZT之后，对PbTiO3进行了取代、固溶等改进型实验工作，使PbTi03陶瓷逐步趋向实用化。以上所述均属钙钛矿型材料。在研究开发钙钛矿型压电陶瓷材料的同时，也对非钙钛矿型压电陶瓷材料如焦绿石型、铋层状结构、钨青铜型等压电陶瓷材料如进行了探索与研究。这些材料都有潜在的实用价值，其中有些材料已被应用。

我国对压电陶瓷材料的研究开始于五十年代末期，比国外晚了十年左右。经过几十年的努力，我国的压电陶瓷有了很大发展。21世纪初叶，低温压电陶瓷的改进对于压电陶瓷广泛用于电子技术领域起了巨大的推动作用。然而，由于压电陶瓷硬度高、脆性大、难于加工。因此结构复杂的压电陶瓷体的制造一直是一大难题。清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室GuoDongt利用凝胶注模成型(gelcasting)制备PZT压电陶瓷，解决了压电陶瓷制备中亟待解决的问题。同时低温烧结压电陶瓷也抑制了烧结渗银过程中银离子向陶瓷内部进行扩散。我们知道，陶瓷属于绝缘介质，只有经过极化后的陶瓷才有压电性。但是陶瓷不能象金属那样被直接极化，必须先被金属化。LiQuan lut271利用低温烧结渗银法、化学沉银法，这两种方法解决了陶瓷的极化问题。另一个降低烧结温度的方法基于超细粉体的制备。在保证压电陶瓷材料良好的压电性能的前提下，从能源和环保方面考虑，人们把目光放在了烧结的最初阶段超细粉体的制备。粉体越精细、均匀性越好、表面活性越高、越有利于烧结过程，从而降低烧结温度。目前，关于粉体制备技术有：水热法、solgel、化学共沉淀法等。惠春利用水热法合成粒径小、表面活性大的PZT结晶粉体。实验证明，这种PZT粉体的氧化铅挥发温度为924．71℃。而粒径间的反应温度为911．26℃，从而避免了氧化铅的挥发。Zhao Ming leit以solgel工艺制备的粉料所制出的(Bi0．151sNao．15)1-xBaxTiO3压电陶瓷不仅压电性能得到了较大的提高，其qb(Bi0．15Na0．15)0．94Ba0．06TiO3系陶瓷具有该系列最大的压电常数，d33=173x10-12 c／N。与传统工艺相比，d33提高了近40％。而且，在一定范围内，随Ba含量的增加，材料的剩余极化Pr和矫顽场Ec逐渐减小，退极化温度逐渐降低。最近，清华大学材料科学与工程系陶瓷国家重点实验室利用放电等离子法(SPS)成功合成晶粒尺寸为纳米级的高密度(>90％)钛酸钡BaTiO3纳米晶。放电等离子法(SPS)是一种快速烧结方法，与传统的烧结方法相比，SPS烧结保温时间短、烧结后的致密度高、能显著抑制晶粒在烧结后期长大。

压电效应是通过使压电晶体产生形变，从而使其内部电荷发生极化，进而带电的现象。如果此过程反之，即为逆压电效应。产生这种效应，是因为晶体结构的非中心对称性，也就是说，在无形变时，晶体电荷是不存在极化的，但一旦沿某一方向形变，内部的电荷便不再对称，从而产生极化。打火机中便是装有这样的压电材料，您所说的“打火”，其实就是“击穿”，因为任何材料，或者说介质，都会有一个介电常数，其反映了介质的介电性能。如果介电场强超过一定值，介质便失去介电性能成为导体。这样，“打火机打火”现象便可解释为：外力按动打火机按钮，使压电晶体发生形变，形变导致晶体内部电荷极化，产生电场，此电场可看作空气的介电场强，因为场强很大，而空气介电常数较小，故而形成“电击穿”，在打火机与金属间产生“电火花”。

压电陶瓷致动器外电路是一个容性负载，必须提供供容性负载快速放电的回路

，外电路还有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽。

下面我发一份关于压电陶瓷驱动电源的文章，供你参考！

近年来国内对静态压电陶瓷驱动电源的研制取得了一定的进展，但大部分压电陶瓷驱动电源都是由分立性器件组成，结构较复杂，而且容易产生自激振荡，对电源的稳定性会产生影响。而采用高压运放的驱动电源，分辨率能达到mV级，输出纹波较小，不仅提高了电路集成度，而且可靠性也得到加强，因此可用于驱动压电陶瓷致动器。

压电陶瓷致动器驱动电源

1、压电陶瓷致动器对驱动电源的要求

压电陶瓷致动器的驱动电源应具有如下特点：

（1）压电陶瓷致动器的位移输出对外加驱动控制电压的响应速度，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，因此驱动电源应具有较大的驱动电流，一般不应小于150mA；

（2）驱动电源的输出控制电压连续可调，对国产压电陶瓷致动器PTBS200系列而言，要求驱动电源输出电压为直流0～200V，连续可调；

（3）为适应高频响应的要求，驱动电源中应具有供容性负载快速放电的回路；

（4）由于压电陶瓷致动器主要应用于微纳米技术领域，所以驱动电源应具有良好的稳定性，其输出纹波电压应控制在很小的范围内；

（5）为实现位移的自动控制，驱动电源最好采用计算机控制。

压电陶瓷致动器外电路是一个容性负载，并有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽，从发展趋势来看，其应用前景广阔。

2、驱动电源的设计

根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求，本设计中的电源采用直流放大式电路。整个电源电路主要由计算机与数据采集卡、运算放大电路和高压电路等几部分组成。高压电路提供220V的直流电压，计算机通过LabView8.5控制数据采集卡产生一定的输出波形，得到0～5V的连续可调控制电压；放大电路实现电压的线性放大和功率放大，输出0～200V连续可调的直流电压，并决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。

① 高压电路

由于直流电压的稳定性直接影响驱动电源的稳定性，采用220V输出电压的高压电路，主要部分是将市电交流220V变为+220V直流电压的全桥整流供电电路。

② 波形发生电路

良好的输入波形是电源的关键之一，关系到压电陶瓷的伸缩变化。输入波形信号的频率、幅值可变，信号波形好，畸变小，不仅可以消除压电陶瓷本身的迟滞特性和蠕变特性，也能获得更广泛的应用。由于电压精度要求比较高，使用NI公司的具有16位模拟输入输出的多功能数据采集卡6221将数字量转换成模拟量，输出电压为0～5V，电压分辨率达到5/216，约等于0.076mV。采用LabView 8.5编程可以实现任意波形及缓变直流等输出，灵活性强，能满足各种需要。

③高压放大电路

采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA96和高精度运算放大器OP07串联组成串联负反馈放大电路。PA96是一种高压，大带宽的MOSFET运算放大器，输出电流达到1.5A，输出电压接近300V，安全操作区（SOA）没有二次击穿的限制，通过选择合适的限流电阻，可观察到任何负载下的安全操作曲线。PA96的最大失调电压为5mV，对要求分辨率为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，其输入特性不能满足要求。在该电源的线性放大部分采用了PA96和OP07串联的复合放大器，从而使输入失调电压由前置放大器OP07控制。由于复合放大器的输入电压为0～5V，输出电压要求为0～200V，因此复合放大器的放大倍数要求为40。但增益过大会影响运放稳定性，因此选定PA96的闭环放大倍数为31，PA96和OP07串联后共同提供的放大倍数为40。根据放大倍数的分配要求可得：

R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ

由于构成负反馈电路，输出电阻非常小（mΩ级），因此具有很强的带负载能力。R5为限流电阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，这里为5.4Ω。

3、相位补偿与输出保护

自激现象是影响电源稳定性的一个主要因素。当集成运放的开环增益为一定值时，由于相移过大，电路会产生振荡现象，因此应对集成运放进行相位补偿。通常在输入端和输出端外接补偿元件，进行相位补偿。相位补偿不仅能提高运放的稳定性，还能扩展带宽。电路中PA96一级的闭环放大倍数为31，由此计算出其增益为30，根据PA96的数据资料，确定相位补偿电容值CC=10pF，闭环带宽大约为1MHz。OP07输入端的二极管D1、D2提供差模和共模保护，防止瞬态过压，输出二极管D3、D4可对瞬态过压进行保护，防止瞬态过压损坏OP07的输出。PA96放大器输入端的二极管D5、D6、D7、D8把放大器正负输入端的电压钳位在规定范围内，对运放起保护作用。