超聲波壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料. 與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是: 構(gòu)成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒. 由于陶瓷是晶粒隨機取向的多晶聚集體，因此其中各個鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的. 為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被復電極之后，將其置于強直流電場下進行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場方向擇優(yōu)取向. 經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷，在電場取消之后，會保留一定的宏觀剩余極化強度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì).

介電性及彈性性質(zhì)

壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對外電場的響應程度，通常用介電常數(shù)ε0來表示。在外電場不太大時, 電介質(zhì)對電場的響應可用線性關系:

壓電陶瓷表示,P為極化強度, ε0為真空介電常數(shù),為電極化率,E為外加電場。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如, 壓電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大, 而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。

壓電陶瓷的彈性系數(shù)是反映陶瓷的形變與作用力之間關系的參數(shù)。壓電陶瓷材料同其它彈性體一樣,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做彈性體的彈性硬度常數(shù), X 為應力,x為應變。對于壓電體,由于存在壓電性,彈性系數(shù)的數(shù)值與電學邊界條件有關。

壓電陶瓷的壓電性

壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性, 包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機械外力作用下,介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而引起極化, 從而導致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。在外力不太大的情況下, 其電荷密度與外力成正比, 遵循公式:

其中,δ為面電荷密度, d為壓電應變常數(shù),T為伸縮應力。反之,當給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時,電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而被極化, 由此位移導致電介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應稱之為逆壓電性。當電場不是很強時形變與外電場呈線性關系, 遵循公式:

dt為逆壓電應變常數(shù), 即d的轉(zhuǎn)置矩陣, E為外加電場, x為應變。壓電效應的強弱反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合程度,用機電耦合系數(shù)K表示, 遵循公式:

 

其中u12為壓電能, u1為彈性能, u2為介電能。

壓電特性的物理機制

經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當給陶瓷片施加一外界壓力F時，片的兩端會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。相反加以拉力會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種機械效應轉(zhuǎn)變成電效應的現(xiàn)象屬于正壓電效應。

另外, 壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì), 而自發(fā)極化可以在外電場的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此當給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時會發(fā)生如圖所示的變化, 壓電陶瓷會有變形。然而, 壓電陶瓷之所以會有變形, 是因為當加上與自發(fā)極化相同的外電場時, 相當于增強了極化強度。極化強度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長。相反, 如果加反向電場,則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應轉(zhuǎn)變成機械效應的現(xiàn)象是逆壓電效應。

其他特性

壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。

壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制做的精確控制機構(gòu)--壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設備性能的關鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，特別是在多路通信設備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設備無法望其項背而面臨著被替代的命運。

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