压电陶瓷材料及应用
一、概述
1.1电介质
电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。
我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。
近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有：
（1）、电子功能陶瓷 如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。
（2）、化学功能陶瓷 如各种传感器、化学泵等。
（3）、电光陶瓷和光学陶瓷 如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。（材料一）
1.2压电材料的分类
具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年Jacques Curie 和Pierre Curie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及日常生活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭--压电陶瓷扬声器；医院里检查心脏、肝部的超声诊断仪上的探头--压电超声换能器；电子仪器内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材料等（如图1.1所示）。
图1.1 压电材料的分类
压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂等。
压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有
电矩——自发极化（Ps）存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值——剩余极化（Pr），如图1.2所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度（定义）。利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一定的净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见，陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都应是铁电陶瓷。
图1.2 铁电材料的电滞回线
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率
换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切割限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准品率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
压电薄膜是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，压电薄膜元件通常由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。
压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）等，具有材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数（g）等优点，为世人瞩目且发展十分迅速，现在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
复合压电材料，是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如它制成的水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。（材料一）
1.3发展概况
1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO3）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTiO3压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO3陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO3存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
六十年代初，Smolensky等人对复合钙钛矿型化合物进行了系统的研究，提出可以用不同原子价的元素组合取代钙钛矿结构中的A-位和B-位离子，大大增加了钙钛矿型化合物的种类。如
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)、Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN)等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低，工艺重复性好，对压电材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下电气公司的H.Ouchi发表了把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT陶瓷中制成的三元系压电陶瓷（简称PCM），发现它具有良好的压电性能。1969年，我国压电与声光技术研究所研制成功把Pb(Mn1/3Sb2/3)O3作为第三组分加到PZT中的三元系压电陶瓷，性能比PZT和PCM优越。经过10多年的深入研究和广泛应用，这种材料成为我国自成体系的、具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名PMS。PMS压电陶瓷和用它作换能器的压电晶体速率陀螺均先后获国家科委发明奖。
80年代，为了既能满足人类日益增长的物质文化生活需要，又能减少对环境的污染，保护人类赖以生存的生态环境，简化材料制备工艺，开始了非铅基铁电压电陶瓷的研究工作。非铅基铁电压电陶瓷主要是以铌酸盐和钛酸盐为主的化合物。虽然这类材料的目前压电性能还不如锆钛酸铅系，但是非铅基铁电压电陶瓷的研究开发已成为压电陶瓷材料领域的研究前沿之一。
二、压电陶瓷的压电机理与性能参数
压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。
2.1极化的微观机理
在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。
（1）电子位移极化——在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电子极化），其极化率称为电子位移极化率e。
电子位移极化结论是：对于同族元素：e由上到下增大，因：外层电子数增加，原子半径R增大；对于同周期元素：不定，因为外层电子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同；离子半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，e/40R值大，对极化贡献大；电子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10–10-16-15 s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：
（2）离子位移极化——离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。极化率用i表示。离子位移极化结论是：离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级，均在40（10-103-40）10法·米2数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12~10-13秒。
（3）取向极化——当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化，用d表示。
d02
3KT30 0是极性分子固有偶极矩~10库米 (2)
根据电介质分子参与极化运动的种类，把极化分成三类：电子位移极化e；离子位移极化i；偶极矩转向极化d。
电介质的总极化为：eidNEi (3) p01ENEi,或:10E
对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系
m，n=1，2，3 (4)
式
中
为极化率，或用电位移写成
： (5)
图PPt9微观机理图
2.2压电性、铁电性与反铁电性
2.2.1压电效应
压电效应是1880年由JacquesCurie和PierreCurie发现的。他们在研究热电性与晶体对称性的关系时，发现在一些无对称中心晶体的特定方向上施加压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比；同年，他们证实了这类晶体具有可逆的性质，即晶体的形状会受外加电场的作用发生微小的变化（如图2.1所示）。
图2.2 压电效应示意图
（a）正压电效应； （b）逆压电效应(ⅰ收缩 ⅱ膨胀)。
（1）正压电效应，压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。这种没有电场作用，由形变产生极化的现象称为正压电效应。 对于各向异性晶体，对晶体施加应
力
晶体将在X，Y，Z三个方向出现
与
式
中
，；（相应的应
变）时，成正比的极化强度，即：
(6) 分别称为压电应力常数与压电应变常数。
(2)逆压电效应
当给晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系
或
式
中
和
(7) (8) 分别为d和e的转量矩。
在晶体中，如果单位晶胞中的正、负电荷中心不相重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩时，由于晶体构造的周期性和重复性，单位晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态下。由于这种极化状态是在外场为零时自发产生的，因而称之为自发极化。铁电性是指材料不仅在外电场不存在时，在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的性质。
压电性对晶体对称性的要求是没有对称中心。自发极化对晶体对称性的要求是具有特殊的极性方向。具有特殊极性方向的晶体必然没有对称中心，所以具有铁电性的晶体必然具有压电性。电介质、压电体、热电体、铁电体的关系如图2.2所示。
图2.3电介质、压电体、热电体、铁电体的关系示意图
2.1.1压电体
当晶体上特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分别出现正、负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例。压电体的必要条件：晶体不具有对称中心。
图ppt24
2.1.2铁电体
在具有压电性的晶体中，有若干种晶体不仅在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场而反向，并呈现电滞回线，这类晶体称之为铁电体（ferroelectrics）.
通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化的，而是有类似于许多孪晶的区域，这些区域称为铁电畴（domain）。在一个铁电畴内，自发极化的方向是一致的。两畴之间的界壁称为畴壁（domain wall）。一块铁电晶体往往是多畴的，但有时也会出现单畴晶体，强的外电场可使一个多畴晶体变成单畴晶体或使单畴晶体的自发极化反向，这样的动力学过程就称为畴的反转，畴反转的过程包括了畴壁运动和新畴成核的过程。
图2.5 铁电体的
电畴结构和特性
在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）。
铁电体的重要特征之一是具有电滞回线（hysteresis loop），典型的铁电体的P-E（极化强度-外加电场）回线如图1.2所示。
常见的铁电体有：酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O），磷酸二氢钾（KH2PO4），钛酸钡（BaTiO3）。
电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系，且自发极化可随外电场方向反向而反向。回线所包围的面积就是极化强度反转两次所需要的能量。
铁电体还有两个重要特征，具有高的介电常数，几百~几万；介电常数与电场强度大小有关。
除了铁电体外，还有一类反铁电体（anti-ferroelectrics）。反铁电体的结构可以看成是两个套子晶格交叠而成，而这两个子晶格的电矩方向是反向平行的，如图2.6武1-3。因此反铁电体与铁电体不同，从宏观上看它没有自发极化，整个晶体的总电矩为零。在强直流电场的作用下，反铁电体的P-E关系变化呈现双电滞回线，如图2.7所示1-4。
临界特性是铁电体的重要特性。对位移型相变的材料，自发极化或晶格自发极化强度随温度升高而减小，并在某一临界温度时变为零，这个转变温度就是居里温度Tc。当温度高于Tc时，晶体发生结构相变，自发极化消失并呈现出对称相，称为顺电相。即：当TTc时，Ps=0。反铁电体也具有临界温度Tc,Tc以上为顺电相，Tc以下为对称性较低的反铁电相，即：当TTc时，Pa=Pb=0（其中，Ps为自发极化强度，Pa、Pb为反铁电体两套子晶格的自发极化强度）。
当铁电体温度高于居里温度时，铁电体的介电常数随温度T变化关系符合居里—外斯（Curie-Weiss）定律：
C(9) TT0
式中，T0为居里-外斯特征温度，C为居里常数。
2.1.3 热释电体
热释电晶体只要温度变化，由于其自发极化强度随温度变化的缘故，会在特定方向产生表面电荷，这就是最先由Brewster命名的热释电现象。当晶体具有自发极化，即晶体结构的某些方向正负电荷重心不重合或者不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一极化轴时，才有可能由于热膨胀引起电矩变化而导致热释电效应。有10种点群的晶体具有热释电效应，如钛酸钡，硫酸三甘酞，一水合硫酸锂，铌酸锂等。热释电体不同于铁电体；铁电体存在电滞回线；铁电体必须是热释电体、压电体。
2.2压电陶瓷的性能参数
压电陶瓷的性能参数较多，其中比较常用的有介电常数、介质损耗、机电耦合系数、压电常数、居里温度、频率常数、弹性系数等。
1、介电常数r
介电常数是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，通常用表示，其单位为法拉/米。
有时也使用相对介电常数r，它与介电常数的关系为：
r （10） 0
式中0为真空介电常数，其值为8.8510-12法拉/米。相对介电常数r是一个没有量纲的物理量。
2、介质损耗tanδ
任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变
电场中长期工作时，都有发热的现象。这种现象说明介质内部发生了某种能量的耗散，这就是介质损耗。介质损耗是表征介质品质的一个重要指标。
在交变电场下，压电陶瓷所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），另一种为无功部分（异相）。前者由电导过程引起，后者由介质驰豫过程引起。介质损耗即为上述的异相分量与同相分量的比值，通常用tanδ表示。称为介质损耗角，物理含义是在交变电场下电介质的电位移D与电场强度E的相位差。
介质损耗的倒数称为电学品质因数Qe。
一般说来，介质损耗越大，材料性能就越差。所以介质损耗是衡量材料性能、选择材料、制作器件的重要依据之一。压电陶瓷的介电损耗大致分为三种：漏电流损耗、介质不均匀所引起的损耗和电极化引起的损耗。其主要的介电损耗是电极化引起的损耗。
3、机械品质因数Qm
机械品质因数Qm表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。产生机械损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量。机械品质因数Qm与机械损耗成反比。机械品质因数越高，能量损耗就越小。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm值有不同的要求，多数的陶瓷滤波器要求压电陶瓷材料的Qm值要高，而音响器件及接收型换能器则要求Qm值要低。
4、机电耦合系数K
机电耦合系数K就是指压电材料中与压电效应相联系的相互作用能密度与弹性密度和节电能密度的几何平均值之比。它是综合反映一定性能的参数，机电耦合系数反映压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦合效应。
k2转换获得的电(机械)能 （11） 输入的总机械(电)能
由于压电陶瓷元件的机械能与元件的形状和振动模式有关，因此对
不同的振动模式有不同的耦合系数，常用以下五个基本耦合系数：
①平面机电耦合系数kp（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数）。
②横向机电耦合系数k31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
③纵向机电耦合系数k33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
④厚度伸缩机电耦合系数kt（反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数）。
⑤厚度切变机电耦合系数k15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数）。
5、压电常数
压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压”与“电”之间的耦合效应，是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（或应变）和电场（或电位移）之间的联系，直接反映了材料及电性能的耦合关系和压电效应的强弱。压电常数不仅与机械边界条件有关，而且与电学边界条件有关。压电常数主要有压电应变常数d、压电电压常数g、压电应力常数e和压电刚度常数h等四组，其中压电应变常数d、压电电压常数g比较常用，且存在如下关系：gd
（12）
式中，是介电常数。
6、居里温度Tc
压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度Tc，当温度高于Tc时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度Tc称为居里温度。
7、频率常数N
对于某一陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子的振动方向的长度之乘积是一个常数，这个常数就是频率常数。如果外加电场垂直于振
动方向，此谐振频率为串联谐振频率；如果外加电场平行于振动方向，此谐振频率为并联谐振频率。
8、弹性系数
压电陶瓷是一个弹性体，它服从胡克定律：在弹性限度范围内，应力与应变成正比。压电陶瓷具有压电效应，因此在不同的电学条件下，就有不同的弹性柔顺系数和弹性刚度系数。
2.3压电陶瓷的主要结构
压电陶瓷数目众多，类型也各不相同，但从晶体结构看，压电陶瓷主要有三种类型，它们是钙钛矿结构、钨青铜结构和含铋层状结构。
1、钙钛矿结构
大多数有用的压电陶瓷都是钙钛矿结构，其通式为ABO3，AB的价态可为A2+B4+或A1+B5+。图2.8是ABO3钙钛矿结构示意图。简单立方钙钛矿型结构（m3m点群）由一系列共有顶角的八面体（如图2.9所示）排列而成，氧八面体的中心是高价小半径的B位离子，如Ti、Sn、Zr、Nb、Ta、W等，而在氧八面体内，则为大半径、低电价、配位数为12的A位离子，如Na、K、Rb、Ca、Sr、Ba、Pb等。在构成钙钛矿化合物时，离子半径应满足下列条件：
RA+ RO=t2(RB+RO) （13） 式中，RA—A离子的半径；RB—B离子的半径；RO—氧离子的半径； t—容限因子。当t=1时，为理想钙钛矿结构。一般情况下，t值在0.86～ 1.03之间都可构成钙钛矿结构。
图2.8 钙钛矿型结构
图2.9 ABO3型氧八面体结构
（2、3、4分别代表二重对称轴、三重对称轴、四重对称轴）
2.钨青铜结构
氧八面体铁电体中有一部分是以钨青铜结构存在的，由于此类结构类似四角钨青铜KxWO3和NaxWO3而得名。这一结构的基本特征是一个四方晶胞包含10个BO6八面体，例如PbNb2O6、NaSr2Nb5O15等。与钙钛
矿结构相似，这类铁电体也具有氧八面体的网络结构，但比简单钙钛矿结构复杂。氧八面体以共顶点的形式沿其四重轴叠置成堆垛，各堆垛再以共点的形式连接起来。与钙钛矿结构不同的是，这些堆垛在垂直于四重轴的平面内取向不一致，不同堆垛的氧八面体之间形成不同的空隙，如图2.10所示。
图2.10 钨青铜结构在（001）面上的投影图
3. 含铋层状结构
含铋层状结构的化合物也同样含有氧八面体，其晶体结构比较复杂，但一般是由二维的钙钛矿层和Bi2O22+层有规则地相互交错排列而成的，如图2.11所示的Bi4Ti3O12的晶体结构。含铋层状结构的组成可用Bi2O22+（Ax－1BxO3x+1）2－表示，其中，x是钙钛矿层厚度方向的元胞数，其值可为1～5，A是较大的正离子，B是较小的正离子。含铋层状结构化合物中有一部分具有铁电性，其特点是居里温度高，自发极化也比较高，压电性能和介电性能各向异性大等。
图2.11 Bi4Ti3O12晶体结构示意图
三、压电陶瓷的应用及展望
3.1 压电陶瓷的应用
随着高新技术的不断发展，压电陶瓷以其独特的性能，在商业、军事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。可以毫不夸张地说，压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落，如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器；电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪；家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器；收录机要用压电微音器、
压电喇叭；照相机和录像机要用压电马达等。
表1压电陶瓷的应用
应用领域 举例
电源 压电变压器 雷达，电视显象管，阴极射线管，盖克计数管，激光管和电
子复印机等高压电源和压电点火装置
信号源 标准信号源 震荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频
率标准信号源
电声换能器 拾音器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声
器件
信号转换
超声换能器 超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于
20kHz的超声器件
超声换能器 探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，
超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件
发射与接受 水声换能器 水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和
传声器等
滤波器 通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤
波器；雷达，自控和计算机系统所用带通滤波器，脉冲滤波器
等
信号处理 放大器 声表面波信号放大器以及震荡器，混频器，衰减器，隔离器等
表面波导 声表面波传输线
加速度计 工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作
压力计 状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流
速计，流量计和液面计等
传感与计测 角加速度计 测量物体角加速度及控制飞行器航向的压电陀螺等
红外探测器 监视领空、检测大气污染浓度、非接触式测温以及热成像、
热电探测、跟踪器等
位移发生器 激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角
度、光程长的控制器
调制 用于电光和声光调制的光阀、光闸、光
变频器和光偏转器、声开关等
存储显示 存储 光信息存储器，光记忆器
显示 铁电显示器，声光显示器，组页器等
其他 非线性元件 压电继电器等
压电陶瓷按其应用的工作状态可分为强激励和弱激励两种类型。前者主要是利用压电陶瓷的能量转换特点把电能转换为机械能，或者反之，工作在很高的激励状态下；后者则主要是利用其信息检测及处理方面的性质，工作在很低的激励状态。表1列出了压电陶瓷的主要应用领域。以下就压电陶瓷的一些主要应用领域作简要的介绍。
1、在水声技术领域的应用
水声换能器是压电陶瓷的一项重要应用，它主要是利用压电陶瓷的正、逆压电效应以发射声波或接受声波来完成水下观察、通讯和探测工作，包括海洋地质调查、海底地貌探测、编制海图、航道疏通及港务工程、海底电缆及管道敷设工程、导航、海事救捞工程、指导海业生产以及海底和水中目标物的探测与识别等方面。
压电陶瓷材料用于水声技术有发射、接受和兼具发射接受功能三个方面。用于发射换能器的压电陶瓷材料要求具有高的驱动特性，即大功率下损耗小，承受功率密度大，各项参数的稳定性好；用于接受换能器的压电陶瓷要求材料具有高灵敏度和平坦的频率响应，即材料应有高的机电耦合系数，大的介电常数以及低的老化特性；而用于兼有发射和接受的换能器则要求材料兼顾上述两者性能。
2、在超声技术领域的应用
压电陶瓷在超声技术中的应用十分广泛。利用压电陶瓷的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力应用（如超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声打孔、超声粉碎、超声分散等装置上的机电换能器等方面）的压电陶瓷应有高机械强度、高矫顽场、大机电耦合系数以及良好的时间稳定性和温度稳定性；利用压电陶瓷的弯曲振动、产生位移和形变等（如微位移控制器、小型振动电动机、光束偏转器、压电继电器、流量自控阀、录象机磁头自动扫描跟踪器等）的压电陶瓷应具有大的压电应变常数和矫顽场；对于采用一个压电换能器兼具发射和接收超声波两种功能的应用（如车辆计数器、电视机遥控、超声波测距计、液面计、超声波防盗、声学探测机以及医疗超声器械等）的压电陶瓷的要求则根据需要而定。
压电陶瓷作为超声换能器具有结构简单、使用方便、灵敏度高、选择性好、容易与电源匹配、能耐振动冲击、稳定性良好以及小型轻便等优点。
3、在高电压发生装置上的应用
高电压发生器是压电陶瓷最早开拓的应用之一，它利用压电陶瓷的
正压电效应将机械能转换成电能，从而产生很高的电压。压电陶瓷在高电压发生装置上的应用主要有压电点火器、引燃引爆、压电开关和小型电源等。用于这些方面的压电陶瓷应有较大的压电电压常数（g33）、较大的纵向机电耦合系数（k33）、较大的介电常数、较高的机械强度和较好的稳定性等。另一方面是作用于小功率仪表上产生高电压小电流的压电变压器。这些压电陶瓷应具有较高机电耦合系数（特别是横向机电耦合系数k31和纵向机电耦合系数k33）、热稳定性好、机械品质因数适当、频率的温度稳定性和时间稳定性良好。
4、在电声设备上的应用
压电陶瓷作为电声器件应用较多。压电陶瓷以其优良的机电性能、高的化学稳定性、并且能加工成各种尺寸和形状电声器件以及价格低廉而取代了单晶点声器件。它们是利用压电陶瓷的正、逆压电效应将电能转换成声能或将声能转换成电能的器件，如拾音器、扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器、电子校表仪等。这些压电陶瓷既要求有高灵敏度，又要有平坦的频率响应。
5、在滤波器上的应用
滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率。压电陶瓷作为滤波器时，首先把电能转变成弹性机械能，然后又转变成电能。压电陶瓷作为滤波器具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高等优点，适于电路集成化的要求，尤其是陶瓷表面波器件。滤波器种类繁多，但对压电陶瓷有一个共同的要求是频率随温度和时间的稳定性要非常好、机械品质因数大、介电常数和机电耦合系数调节范围宽、材料致密、可加工成薄片能在高频下使用；对声表面波器件还要求材料具有晶粒小、气孔少、有良好的抛光表面等特点。
6、在其它方面的应用
压电陶瓷还可制成许多测量和感知动态或准静态的各种力加速度、冲击和振动等物理量及其变化的传感器。目前已用于各种检测仪表和控制系统中，如利用压电效应产生直线振动质量的线动量代替角动量制成压电陀螺，它具有体积小、重量轻、可靠性高、固体组件不需要维修、
而且因无磨损部分而寿命长等优点。利用压电效应感知加速度变化，其原理和结构都很简单，而且精度高、动态范围宽，不仅可以测量飞行物体的加速度，还可以测量各种各种振动物体，如发动机、气轮机叶栅等的加速度，它要求压电陶瓷具有高的压电电压常数g和压电应变常数d、高的机械品质因数Qm、大的横向弹性模量Y和较高的居里温度，以提高材料性能与温度和时间的稳定性。
在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。
此外，压电陶瓷还可以应用在压力计、流量计、计数器、压电称等仪表仪器中。
3.2压电陶瓷材料的展望
压电陶瓷材料及应用
一、概述
1.1电介质
电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。
我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。
近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有：
（1）、电子功能陶瓷 如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。
（2）、化学功能陶瓷 如各种传感器、化学泵等。
（3）、电光陶瓷和光学陶瓷 如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。（材料一）
1.2压电材料的分类
具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年Jacques Curie 和Pierre Curie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及日常生活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭--压电陶瓷扬声器；医院里检查心脏、肝部的超声诊断仪上的探头--压电超声换能器；电子仪器内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材料等（如图1.1所示）。
图1.1 压电材料的分类
压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂等。
压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有
电矩——自发极化（Ps）存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值——剩余极化（Pr），如图1.2所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度（定义）。利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一定的净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见，陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都应是铁电陶瓷。
图1.2 铁电材料的电滞回线
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率
换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切割限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准品率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
压电薄膜是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，压电薄膜元件通常由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。
压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）等，具有材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数（g）等优点，为世人瞩目且发展十分迅速，现在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
复合压电材料，是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如它制成的水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。（材料一）
1.3发展概况
1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO3）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTiO3压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO3陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO3存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
六十年代初，Smolensky等人对复合钙钛矿型化合物进行了系统的研究，提出可以用不同原子价的元素组合取代钙钛矿结构中的A-位和B-位离子，大大增加了钙钛矿型化合物的种类。如
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)、Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN)等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低，工艺重复性好，对压电材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下电气公司的H.Ouchi发表了把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT陶瓷中制成的三元系压电陶瓷（简称PCM），发现它具有良好的压电性能。1969年，我国压电与声光技术研究所研制成功把Pb(Mn1/3Sb2/3)O3作为第三组分加到PZT中的三元系压电陶瓷，性能比PZT和PCM优越。经过10多年的深入研究和广泛应用，这种材料成为我国自成体系的、具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名PMS。PMS压电陶瓷和用它作换能器的压电晶体速率陀螺均先后获国家科委发明奖。
80年代，为了既能满足人类日益增长的物质文化生活需要，又能减少对环境的污染，保护人类赖以生存的生态环境，简化材料制备工艺，开始了非铅基铁电压电陶瓷的研究工作。非铅基铁电压电陶瓷主要是以铌酸盐和钛酸盐为主的化合物。虽然这类材料的目前压电性能还不如锆钛酸铅系，但是非铅基铁电压电陶瓷的研究开发已成为压电陶瓷材料领域的研究前沿之一。
二、压电陶瓷的压电机理与性能参数
压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。
2.1极化的微观机理
在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。
（1）电子位移极化——在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电子极化），其极化率称为电子位移极化率e。
电子位移极化结论是：对于同族元素：e由上到下增大，因：外层电子数增加，原子半径R增大；对于同周期元素：不定，因为外层电子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同；离子半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，e/40R值大，对极化贡献大；电子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10–10-16-15 s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：
（2）离子位移极化——离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。极化率用i表示。离子位移极化结论是：离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级，均在40（10-103-40）10法·米2数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12~10-13秒。
（3）取向极化——当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化，用d表示。
d02
3KT30 0是极性分子固有偶极矩~10库米 (2)
根据电介质分子参与极化运动的种类，把极化分成三类：电子位移极化e；离子位移极化i；偶极矩转向极化d。
电介质的总极化为：eidNEi (3) p01ENEi,或:10E
对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系
m，n=1，2，3 (4)
式
中
为极化率，或用电位移写成
： (5)
图PPt9微观机理图
2.2压电性、铁电性与反铁电性
2.2.1压电效应
压电效应是1880年由JacquesCurie和PierreCurie发现的。他们在研究热电性与晶体对称性的关系时，发现在一些无对称中心晶体的特定方向上施加压力时，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比；同年，他们证实了这类晶体具有可逆的性质，即晶体的形状会受外加电场的作用发生微小的变化（如图2.1所示）。
图2.2 压电效应示意图
（a）正压电效应； （b）逆压电效应(ⅰ收缩 ⅱ膨胀)。
（1）正压电效应，压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。这种没有电场作用，由形变产生极化的现象称为正压电效应。 对于各向异性晶体，对晶体施加应
力
晶体将在X，Y，Z三个方向出现
与
式
中
，；（相应的应
变）时，成正比的极化强度，即：
(6) 分别称为压电应力常数与压电应变常数。
(2)逆压电效应
当给晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系
或
式
中
和
(7) (8) 分别为d和e的转量矩。
在晶体中，如果单位晶胞中的正、负电荷中心不相重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩时，由于晶体构造的周期性和重复性，单位晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态下。由于这种极化状态是在外场为零时自发产生的，因而称之为自发极化。铁电性是指材料不仅在外电场不存在时，在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的性质。
压电性对晶体对称性的要求是没有对称中心。自发极化对晶体对称性的要求是具有特殊的极性方向。具有特殊极性方向的晶体必然没有对称中心，所以具有铁电性的晶体必然具有压电性。电介质、压电体、热电体、铁电体的关系如图2.2所示。
图2.3电介质、压电体、热电体、铁电体的关系示意图
2.1.1压电体
当晶体上特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分别出现正、负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例。压电体的必要条件：晶体不具有对称中心。
图ppt24
2.1.2铁电体
在具有压电性的晶体中，有若干种晶体不仅在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场而反向，并呈现电滞回线，这类晶体称之为铁电体（ferroelectrics）.
通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化的，而是有类似于许多孪晶的区域，这些区域称为铁电畴（domain）。在一个铁电畴内，自发极化的方向是一致的。两畴之间的界壁称为畴壁（domain wall）。一块铁电晶体往往是多畴的，但有时也会出现单畴晶体，强的外电场可使一个多畴晶体变成单畴晶体或使单畴晶体的自发极化反向，这样的动力学过程就称为畴的反转，畴反转的过程包括了畴壁运动和新畴成核的过程。
图2.5 铁电体的
电畴结构和特性
在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）。
铁电体的重要特征之一是具有电滞回线（hysteresis loop），典型的铁电体的P-E（极化强度-外加电场）回线如图1.2所示。
常见的铁电体有：酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O），磷酸二氢钾（KH2PO4），钛酸钡（BaTiO3）。
电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系，且自发极化可随外电场方向反向而反向。回线所包围的面积就是极化强度反转两次所需要的能量。
铁电体还有两个重要特征，具有高的介电常数，几百~几万；介电常数与电场强度大小有关。
除了铁电体外，还有一类反铁电体（anti-ferroelectrics）。反铁电体的结构可以看成是两个套子晶格交叠而成，而这两个子晶格的电矩方向是反向平行的，如图2.6武1-3。因此反铁电体与铁电体不同，从宏观上看它没有自发极化，整个晶体的总电矩为零。在强直流电场的作用下，反铁电体的P-E关系变化呈现双电滞回线，如图2.7所示1-4。
临界特性是铁电体的重要特性。对位移型相变的材料，自发极化或晶格自发极化强度随温度升高而减小，并在某一临界温度时变为零，这个转变温度就是居里温度Tc。当温度高于Tc时，晶体发生结构相变，自发极化消失并呈现出对称相，称为顺电相。即：当TTc时，Ps=0。反铁电体也具有临界温度Tc,Tc以上为顺电相，Tc以下为对称性较低的反铁电相，即：当TTc时，Pa=Pb=0（其中，Ps为自发极化强度，Pa、Pb为反铁电体两套子晶格的自发极化强度）。
当铁电体温度高于居里温度时，铁电体的介电常数随温度T变化关系符合居里—外斯（Curie-Weiss）定律：
C(9) TT0
式中，T0为居里-外斯特征温度，C为居里常数。
2.1.3 热释电体
热释电晶体只要温度变化，由于其自发极化强度随温度变化的缘故，会在特定方向产生表面电荷，这就是最先由Brewster命名的热释电现象。当晶体具有自发极化，即晶体结构的某些方向正负电荷重心不重合或者不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一极化轴时，才有可能由于热膨胀引起电矩变化而导致热释电效应。有10种点群的晶体具有热释电效应，如钛酸钡，硫酸三甘酞，一水合硫酸锂，铌酸锂等。热释电体不同于铁电体；铁电体存在电滞回线；铁电体必须是热释电体、压电体。
2.2压电陶瓷的性能参数
压电陶瓷的性能参数较多，其中比较常用的有介电常数、介质损耗、机电耦合系数、压电常数、居里温度、频率常数、弹性系数等。
1、介电常数r
介电常数是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，通常用表示，其单位为法拉/米。
有时也使用相对介电常数r，它与介电常数的关系为：
r （10） 0
式中0为真空介电常数，其值为8.8510-12法拉/米。相对介电常数r是一个没有量纲的物理量。
2、介质损耗tanδ
任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变
电场中长期工作时，都有发热的现象。这种现象说明介质内部发生了某种能量的耗散，这就是介质损耗。介质损耗是表征介质品质的一个重要指标。
在交变电场下，压电陶瓷所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），另一种为无功部分（异相）。前者由电导过程引起，后者由介质驰豫过程引起。介质损耗即为上述的异相分量与同相分量的比值，通常用tanδ表示。称为介质损耗角，物理含义是在交变电场下电介质的电位移D与电场强度E的相位差。
介质损耗的倒数称为电学品质因数Qe。
一般说来，介质损耗越大，材料性能就越差。所以介质损耗是衡量材料性能、选择材料、制作器件的重要依据之一。压电陶瓷的介电损耗大致分为三种：漏电流损耗、介质不均匀所引起的损耗和电极化引起的损耗。其主要的介电损耗是电极化引起的损耗。
3、机械品质因数Qm
机械品质因数Qm表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。产生机械损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量。机械品质因数Qm与机械损耗成反比。机械品质因数越高，能量损耗就越小。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm值有不同的要求，多数的陶瓷滤波器要求压电陶瓷材料的Qm值要高，而音响器件及接收型换能器则要求Qm值要低。
4、机电耦合系数K
机电耦合系数K就是指压电材料中与压电效应相联系的相互作用能密度与弹性密度和节电能密度的几何平均值之比。它是综合反映一定性能的参数，机电耦合系数反映压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦合效应。
k2转换获得的电(机械)能 （11） 输入的总机械(电)能
由于压电陶瓷元件的机械能与元件的形状和振动模式有关，因此对
不同的振动模式有不同的耦合系数，常用以下五个基本耦合系数：
①平面机电耦合系数kp（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数）。
②横向机电耦合系数k31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
③纵向机电耦合系数k33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数）。
④厚度伸缩机电耦合系数kt（反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数）。
⑤厚度切变机电耦合系数k15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数）。
5、压电常数
压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压”与“电”之间的耦合效应，是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（或应变）和电场（或电位移）之间的联系，直接反映了材料及电性能的耦合关系和压电效应的强弱。压电常数不仅与机械边界条件有关，而且与电学边界条件有关。压电常数主要有压电应变常数d、压电电压常数g、压电应力常数e和压电刚度常数h等四组，其中压电应变常数d、压电电压常数g比较常用，且存在如下关系：gd
（12）
式中，是介电常数。
6、居里温度Tc
压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度Tc，当温度高于Tc时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度Tc称为居里温度。
7、频率常数N
对于某一陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子的振动方向的长度之乘积是一个常数，这个常数就是频率常数。如果外加电场垂直于振
动方向，此谐振频率为串联谐振频率；如果外加电场平行于振动方向，此谐振频率为并联谐振频率。
8、弹性系数
压电陶瓷是一个弹性体，它服从胡克定律：在弹性限度范围内，应力与应变成正比。压电陶瓷具有压电效应，因此在不同的电学条件下，就有不同的弹性柔顺系数和弹性刚度系数。
2.3压电陶瓷的主要结构
压电陶瓷数目众多，类型也各不相同，但从晶体结构看，压电陶瓷主要有三种类型，它们是钙钛矿结构、钨青铜结构和含铋层状结构。
1、钙钛矿结构
大多数有用的压电陶瓷都是钙钛矿结构，其通式为ABO3，AB的价态可为A2+B4+或A1+B5+。图2.8是ABO3钙钛矿结构示意图。简单立方钙钛矿型结构（m3m点群）由一系列共有顶角的八面体（如图2.9所示）排列而成，氧八面体的中心是高价小半径的B位离子，如Ti、Sn、Zr、Nb、Ta、W等，而在氧八面体内，则为大半径、低电价、配位数为12的A位离子，如Na、K、Rb、Ca、Sr、Ba、Pb等。在构成钙钛矿化合物时，离子半径应满足下列条件：
RA+ RO=t2(RB+RO) （13） 式中，RA—A离子的半径；RB—B离子的半径；RO—氧离子的半径； t—容限因子。当t=1时，为理想钙钛矿结构。一般情况下，t值在0.86～ 1.03之间都可构成钙钛矿结构。
图2.8 钙钛矿型结构
图2.9 ABO3型氧八面体结构
（2、3、4分别代表二重对称轴、三重对称轴、四重对称轴）
2.钨青铜结构
氧八面体铁电体中有一部分是以钨青铜结构存在的，由于此类结构类似四角钨青铜KxWO3和NaxWO3而得名。这一结构的基本特征是一个四方晶胞包含10个BO6八面体，例如PbNb2O6、NaSr2Nb5O15等。与钙钛
矿结构相似，这类铁电体也具有氧八面体的网络结构，但比简单钙钛矿结构复杂。氧八面体以共顶点的形式沿其四重轴叠置成堆垛，各堆垛再以共点的形式连接起来。与钙钛矿结构不同的是，这些堆垛在垂直于四重轴的平面内取向不一致，不同堆垛的氧八面体之间形成不同的空隙，如图2.10所示。
图2.10 钨青铜结构在（001）面上的投影图
3. 含铋层状结构
含铋层状结构的化合物也同样含有氧八面体，其晶体结构比较复杂，但一般是由二维的钙钛矿层和Bi2O22+层有规则地相互交错排列而成的，如图2.11所示的Bi4Ti3O12的晶体结构。含铋层状结构的组成可用Bi2O22+（Ax－1BxO3x+1）2－表示，其中，x是钙钛矿层厚度方向的元胞数，其值可为1～5，A是较大的正离子，B是较小的正离子。含铋层状结构化合物中有一部分具有铁电性，其特点是居里温度高，自发极化也比较高，压电性能和介电性能各向异性大等。
图2.11 Bi4Ti3O12晶体结构示意图
三、压电陶瓷的应用及展望
3.1 压电陶瓷的应用
随着高新技术的不断发展，压电陶瓷以其独特的性能，在商业、军事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。可以毫不夸张地说，压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落，如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器；电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪；家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器；收录机要用压电微音器、
压电喇叭；照相机和录像机要用压电马达等。
表1压电陶瓷的应用
应用领域 举例
电源 压电变压器 雷达，电视显象管，阴极射线管，盖克计数管，激光管和电
子复印机等高压电源和压电点火装置
信号源 标准信号源 震荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频
率标准信号源
电声换能器 拾音器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声
器件
信号转换
超声换能器 超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于
20kHz的超声器件
超声换能器 探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，
超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件
发射与接受 水声换能器 水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和
传声器等
滤波器 通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤
波器；雷达，自控和计算机系统所用带通滤波器，脉冲滤波器
等
信号处理 放大器 声表面波信号放大器以及震荡器，混频器，衰减器，隔离器等
表面波导 声表面波传输线
加速度计 工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作
压力计 状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流
速计，流量计和液面计等
传感与计测 角加速度计 测量物体角加速度及控制飞行器航向的压电陀螺等
红外探测器 监视领空、检测大气污染浓度、非接触式测温以及热成像、
热电探测、跟踪器等
位移发生器 激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角
度、光程长的控制器
调制 用于电光和声光调制的光阀、光闸、光
变频器和光偏转器、声开关等
存储显示 存储 光信息存储器，光记忆器
显示 铁电显示器，声光显示器，组页器等
其他 非线性元件 压电继电器等
压电陶瓷按其应用的工作状态可分为强激励和弱激励两种类型。前者主要是利用压电陶瓷的能量转换特点把电能转换为机械能，或者反之，工作在很高的激励状态下；后者则主要是利用其信息检测及处理方面的性质，工作在很低的激励状态。表1列出了压电陶瓷的主要应用领域。以下就压电陶瓷的一些主要应用领域作简要的介绍。
1、在水声技术领域的应用
水声换能器是压电陶瓷的一项重要应用，它主要是利用压电陶瓷的正、逆压电效应以发射声波或接受声波来完成水下观察、通讯和探测工作，包括海洋地质调查、海底地貌探测、编制海图、航道疏通及港务工程、海底电缆及管道敷设工程、导航、海事救捞工程、指导海业生产以及海底和水中目标物的探测与识别等方面。
压电陶瓷材料用于水声技术有发射、接受和兼具发射接受功能三个方面。用于发射换能器的压电陶瓷材料要求具有高的驱动特性，即大功率下损耗小，承受功率密度大，各项参数的稳定性好；用于接受换能器的压电陶瓷要求材料具有高灵敏度和平坦的频率响应，即材料应有高的机电耦合系数，大的介电常数以及低的老化特性；而用于兼有发射和接受的换能器则要求材料兼顾上述两者性能。
2、在超声技术领域的应用
压电陶瓷在超声技术中的应用十分广泛。利用压电陶瓷的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力应用（如超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声打孔、超声粉碎、超声分散等装置上的机电换能器等方面）的压电陶瓷应有高机械强度、高矫顽场、大机电耦合系数以及良好的时间稳定性和温度稳定性；利用压电陶瓷的弯曲振动、产生位移和形变等（如微位移控制器、小型振动电动机、光束偏转器、压电继电器、流量自控阀、录象机磁头自动扫描跟踪器等）的压电陶瓷应具有大的压电应变常数和矫顽场；对于采用一个压电换能器兼具发射和接收超声波两种功能的应用（如车辆计数器、电视机遥控、超声波测距计、液面计、超声波防盗、声学探测机以及医疗超声器械等）的压电陶瓷的要求则根据需要而定。
压电陶瓷作为超声换能器具有结构简单、使用方便、灵敏度高、选择性好、容易与电源匹配、能耐振动冲击、稳定性良好以及小型轻便等优点。
3、在高电压发生装置上的应用
高电压发生器是压电陶瓷最早开拓的应用之一，它利用压电陶瓷的
正压电效应将机械能转换成电能，从而产生很高的电压。压电陶瓷在高电压发生装置上的应用主要有压电点火器、引燃引爆、压电开关和小型电源等。用于这些方面的压电陶瓷应有较大的压电电压常数（g33）、较大的纵向机电耦合系数（k33）、较大的介电常数、较高的机械强度和较好的稳定性等。另一方面是作用于小功率仪表上产生高电压小电流的压电变压器。这些压电陶瓷应具有较高机电耦合系数（特别是横向机电耦合系数k31和纵向机电耦合系数k33）、热稳定性好、机械品质因数适当、频率的温度稳定性和时间稳定性良好。
4、在电声设备上的应用
压电陶瓷作为电声器件应用较多。压电陶瓷以其优良的机电性能、高的化学稳定性、并且能加工成各种尺寸和形状电声器件以及价格低廉而取代了单晶点声器件。它们是利用压电陶瓷的正、逆压电效应将电能转换成声能或将声能转换成电能的器件，如拾音器、扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器、电子校表仪等。这些压电陶瓷既要求有高灵敏度，又要有平坦的频率响应。
5、在滤波器上的应用
滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率。压电陶瓷作为滤波器时，首先把电能转变成弹性机械能，然后又转变成电能。压电陶瓷作为滤波器具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高等优点，适于电路集成化的要求，尤其是陶瓷表面波器件。滤波器种类繁多，但对压电陶瓷有一个共同的要求是频率随温度和时间的稳定性要非常好、机械品质因数大、介电常数和机电耦合系数调节范围宽、材料致密、可加工成薄片能在高频下使用；对声表面波器件还要求材料具有晶粒小、气孔少、有良好的抛光表面等特点。
6、在其它方面的应用
压电陶瓷还可制成许多测量和感知动态或准静态的各种力加速度、冲击和振动等物理量及其变化的传感器。目前已用于各种检测仪表和控制系统中，如利用压电效应产生直线振动质量的线动量代替角动量制成压电陀螺，它具有体积小、重量轻、可靠性高、固体组件不需要维修、
而且因无磨损部分而寿命长等优点。利用压电效应感知加速度变化，其原理和结构都很简单，而且精度高、动态范围宽，不仅可以测量飞行物体的加速度，还可以测量各种各种振动物体，如发动机、气轮机叶栅等的加速度，它要求压电陶瓷具有高的压电电压常数g和压电应变常数d、高的机械品质因数Qm、大的横向弹性模量Y和较高的居里温度，以提高材料性能与温度和时间的稳定性。
在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。
此外，压电陶瓷还可以应用在压力计、流量计、计数器、压电称等仪表仪器中。
3.2压电陶瓷材料的展望