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划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”

陶瓷是古老中国的代名词，历史悠久，种类繁多。陶瓷从花瓶、

碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶体的微观极

化特性的发现。功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存

储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料，主要包括压电、介电、

热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，其中压电陶瓷是功能陶瓷

领域的主流材料之一。

单板型压电陶瓷

压电陶瓷

压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温

烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有

压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功

能陶瓷材料。其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，

它呈现出ABO型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。

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压电效应

压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温

烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有

压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功

能陶瓷材料。其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，

它呈现出ABO型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。

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正压电效应

逆压电效应

为什么能实现“压电”

压电陶瓷要有两个条件：一是晶粒有铁电性；二是经过强直流电

场极化处理。所有的铁电单晶都具有压电效应，但是对于铁电陶瓷

（陶瓷是多晶体）则需要经过高压直流极化处理。这是因为陶瓷内部

的各晶粒虽然存在自发极化，具有铁电性，但是其自发极化电畴的取

向是完全随机的，宏观上并不具有极化强度。在高压直流电场作用下

电畴沿电场方向定向排列，而且在电场去除后，这种定向状态大部分

能够被保留下来，所以陶瓷呈现压电效应。

压电陶瓷人工极化过程

压电陶瓷材料的分类

目前，压电陶瓷体系主要包括钨青铜结构、铋层状结构、钙钛矿

结构三大类压电陶瓷材料。

（1）钨青铜结构陶瓷

钨青铜结构是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。该晶体也是

由氧八面体以共顶点的形式联接而成的。氧八面体以共顶点的形式沿

四重轴形成堆垛，各堆垛再以共顶点的形式联接起来。目前被广泛研

究体系要有（SrBaNbO、(ASr)NaNbO（A=Ba,Ca,Mg

x1-x）26x1-x515

等）、以及BaAgNbO等。

2515

特点：具有自发极化强度大、居里温度较高（300℃左右）、介电

损耗较低等优点，但是结温度较高，难于制备，而且温度稳定性较差。

钨青铜结构晶胞在（001）面的投影

（2）铋层状结构陶瓷

铋层状结构陶瓷是一种含Bi的有氧八面体的层状结构化合物铁电

体。目前研究较多主要包括：BiTiO，SrBiTiO，SrBiNbO，

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及其改性的化合物等。

特点：电学性能各向异性明显，机械品质因数高，居里温度高，

相对介电常数低，电阻率高，介电击穿强度高，谐振频率的时间和温

度稳定性好。但是，此类陶瓷的缺点也很明矫顽场比较高，不容易极

化，压电活性较低。

铋层陶瓷结构示意图

（3）钙钛矿结构陶瓷

目前研究最广泛的晶体结构为钙钛矿结构，该类结构的化学式可

写为ABO型，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金

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属。半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶

胞格子的顶角，体心和面心。被广泛应用研究主要有钛酸钡，钛酸铅，

错钛酸铅和KNaNbO