专业解析压电陶瓷原理
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。
土巴兔在线免费为大家提供“各家装修报价、1-4家本地装修公司、3套装修设计方案”，还有装修避坑攻略！点击此链接：压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表、电子仪器、电子钟表、定时器等方面。晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率， 是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。（YXC扬兴晶振）
陶瓷电子碗就是用一种新型陶瓷——电子陶瓷制作而成的碗。
电子陶瓷，它和我们平时喝水用的陶瓷杯吃饭用的陶瓷碗是不同的。电子陶瓷是以氧化物、氮化物为主要成分进行烧结，它通过对晶体或者配方的一些精密的控制，获得一些特别有的新功能，比如说屏蔽性、介电性能、电磁转换与传导等这些功能的一种新型陶瓷。
它有几个很强的优势，比如高灵敏性、介电好、高强度、高韧性、散热好、寿命长。其实最早电子陶瓷是由于它的绝缘性好，在电路里用作绝缘体，比如说在高压电塔中，我们用电子陶瓷来做绝缘端子。
后来我们发现在通讯行业，航空航天、工业电子，对我们前面说的电子陶瓷的这些新特性，比如通讯性能、比如寿命和高可靠性，这种需求越来越多。所以我们看到电子陶瓷的应用范畴越来越广泛。
电子陶瓷按功能和用途可以分为五类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。 简称装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。对这类瓷的基本要求是介电常数ε低，介质损耗tanδ小，绝缘电阻率ρ高，击穿强度E 大，介电温度特性和频率特性好。此外，还要求有较高的机械强度和化学稳定性。
在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为MgSiO3及Al2O3。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低，是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随 Al2O3含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%Al2O3的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中，甚至还使用Al2O3含量达999%的纯刚玉瓷，其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷，尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难，烧成温度高、价格贵。
装置瓷中还有一类以氧化铍 (BeO）为代表的高热导瓷。含 BeO95%的氧化铍瓷的室温导热率与金属相同。氧化铍还具有良好的介电性、耐温度剧变性和很高的机械强度。其缺点是BeO原料的毒性很大，瓷料烧成温度高，因而限制了它的应用。氮化硼 (BN）瓷和氮化铝（AlN）瓷也属于高热导瓷，其导热性虽不及氧化铍瓷，但无毒，加工性能和介电性能均好，可供高频大功率晶体管和大规模集成电路中作散热及绝缘用。
研制出一类以SiC为基料，掺入少量BeO等杂质的热压陶瓷。这种陶瓷绝缘性能优良，热导率高于纯度为99%的氧化铍瓷。它的热膨胀系数与硅单晶可在宽温度范围内接近一致，可望在功率耗散较大的大规模集成电路中得到应用。
用作碳膜和金属膜电阻器基体的低碱长石瓷也是一类重要而价廉的装置瓷，但其介质损耗较大，不宜在高频下使用。 用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。
高频电容器瓷属于Ⅰ类电容器瓷，主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体（表1）。
电子陶瓷
选用不同的陶瓷成分可以获得不同介电常数、介质损耗角正切 tanδ和介电温度系数αε的高频电容器瓷料，用以满足各种温度补偿的需要。表中的四钛酸钡瓷不仅是一种热稳定性高的电容器介质，而且还是一种优良的微波介质材料。
低频电容器瓷属于Ⅱ类电容器瓷，主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。主要特点是介电常数ε 高，损耗角正切较大且tanδ及ε随温度的变化率较大。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡（BaTiO3）为主成分，通过掺杂改性而得到的高ε（室温下可达20000）和ε的温度变化率低的瓷料。以平缓相变型铁电体铌镁酸铅 (PbMg1/3Nb2/3O3）等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料，也是重要的低频电容器瓷。
半导体电容器瓷利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面（晶界）上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器，它的介电损耗小、绝缘电阻及工作电压高。半导体电容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3两大类。在以BaTiO3、SrTiO3或二者的固溶体为主晶相的陶瓷中，加入少量主掺杂物（如Dy2O3等）和其他添加物，在特殊的气氛下烧成后，即可得到N型半导体陶瓷。然后，再在表面上涂覆一层氧化物浆料（如CuO等），通过热处理使氧化物向陶瓷的晶界扩散，最终在半导体的所有晶粒之间形成一绝缘层。这种陶瓷的视在介电常数极高（可达 105以上）、介质损耗小（小于1%）、体电阻率高（高于 1011欧·厘米）、介质色散频率高（高于1吉赫）、抗潮性好，是一种高性能、高稳定的电容器介质。 铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种，但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。 在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化，这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时，其极化强度下降为零，晶体即失去铁电性，而成为一般的顺电晶体；与此同时，晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化（图1）。
电子陶瓷
铁电体的重要微观特征是具有电畴结构，即铁电体具有许多沿特定方向自发极化到饱和的小区域──电畴。这些取向不同的电畴以畴壁分开（图2a）。在相当强的外电场作用下，这种多畴晶体可以被电场强迫取向而单畴化（图2b）。这种电畴随外电场而反转取向的动力学过程，包括畴壁的运动过程以及新畴成核和成长的过程。 通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性（或半导体性）晶界，从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。
陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法（亦称原子价控法）两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成离子空位等缺陷，从而提供大量导电电子，使陶瓷中的晶粒成为某种类型（通常是 N型）的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型（P 型）的半导体层。
半导体陶瓷种类很多，其中包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻；利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO 压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池；以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。表2列出典型的传感器用半导体陶瓷。
CdS/Cu2S系光电陶瓷不同于上表所列的利用绝缘晶界层性质的半导体瓷，它所利用的是N型CdS与P型Cu2S晶界层之间的PN异质结的光伏效应。用它制成的陶瓷太阳能电池，可以作为无人值守台站的电源，也可作为电子仪器中的光电耦合器件。 快离子导电的电子陶瓷。具有快速传递正离子的特性。典型代表是 β-Al2O3 瓷。这种陶瓷在300℃下离子电导率可达01/（欧·厘米），可用来制作较经济的高比率能量的固体电池，还可制作缓慢放电的高储能密度的电容器。它是有助于解决能源问题的材料。
