压电陶瓷技术基础

压电工作原理,钙钛矿和极化

压电的基础是某些晶体在承受压力或张力等机械应力时产生电荷的能力,称为直接压电效应。反过来,在接触电场时这类晶体会产生受控变形,称为逆压电效应。电荷的极性取决于晶体相对于压力方向的方向。

该过程称为直接压电效应。反过来,接触电场时产生的受控变形,称为逆压电效应。电荷的极性取决于晶体相对于压力方向的方向。

直接压电效应

直接压电效应

逆压电效应

逆压电效应

钙铁矿结构

具有压电特性的陶瓷属于铁电材料。目前的系统几乎完全以钛酸铅锆 (PZT) 为基础;即,它们由锆酸铅 (PbZrO3) 和钛酸铅 (PbTiO3) 混合晶体组成。压电元件的多晶结构包括多个微晶体(域),每个包含复数个基础单元。这些铁电陶瓷的基础单元具有钙铁矿晶体结构,通常可用结构公式 A2+B4+O32- 表示。

理想钙铁矿结构示意图,忽略因低于居里温度下自发极化造成的变形。二价阳离子位于立方体中心,四价阳离子构成立方体角落。二价阴离子位于该示意图中每个立方体边缘的中心。对于 PZT(锆酸铅锆)混合晶体,公式为: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

通过极化的压电特性

烧结后,陶瓷体的域(统一偶极方向基础单元组成的区域)显示出任意统计分布方向;即宏观体为等方性,不显示任何压电特性。

极化前、极化中和极化后的铁电陶瓷

这些压电特性必须通过“极化”产生。在此过程中,陶瓷体接触强直流电场,使得电偶极与电场方向对齐。即使不再施加直流电场,它们也将很大程度保持该方向(残留极化),这是铁电陶瓷压电行为的必要条件。

有关压电陶瓷技术、压电陶瓷的动态行为以及压电共振器基础模式的更多信息,我们建议参考手册“压电应用中的高性能陶瓷”(High-performance Ceramics in Piezo Applications) 和附录“单块多层启动器 – 工作与应用”(Monolithic Multilayer Actuators – Operation and Applications)。

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    高性能陶瓷在压电领域的应用

    • 语言: PDF, 2.6 MB

    • 语言: PDF, 2.5 MB

    • 语言: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Monolithic Multilayer Actuators