一、概述

壓電材料在電子材料領(lǐng)域已占據(jù)相當(dāng)大的比重，并在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在電子學(xué)領(lǐng)域，如信號(hào)處理、存貯顯示、接收發(fā)射、計(jì)測(cè)、信號(hào)發(fā)生器及電源等方面都得到了應(yīng)用，如濾波器、延遲線、光開關(guān)、鐵電存貯器、壓電引信、壓電電源、振動(dòng)加速度計(jì)、壓電陀螺、壓電變壓器、聲表面器件等。第四章壓電陶瓷及其應(yīng)用1晶體的壓電效應(yīng)1）正壓電效應(yīng)：

對(duì)某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷重心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度D與外力X成正比。這種由于機(jī)械力的作用而使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。

Di=dijkXjki=1,2,3,j=1,2,3,4,5,6電位移壓電模數(shù)或應(yīng)力（j-力所指方向；k-受力面法線方向）壓電常數(shù)系數(shù)（C/N）為一階張量為三階張量為二階張量

將jk腳標(biāo)簡(jiǎn)化為Xjk=Xλ則Di=diλXλ

（i=1,2,3,j=1,2,3,4,5,6）∴

2、逆壓電效應(yīng)

當(dāng)在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，不僅在晶體上產(chǎn)生極化，晶體的形狀也隨之變化，這種由于電場(chǎng)引起晶體形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：為正壓電效應(yīng)d矩陣的轉(zhuǎn)置陣2、壓電效產(chǎn)生的機(jī)理對(duì)有對(duì)稱中心的異極晶體，當(dāng)外力X=0時(shí)，正負(fù)電荷重心重合，∑μi=0，對(duì)外不呈極化如圖4-1；當(dāng)X≠0時(shí)，晶體發(fā)生形變，但正負(fù)電荷重心仍重合，即∑μi=0，因此外力X，只產(chǎn)生形變，不引起了極化。

有對(duì)稱中心的晶體在外力作用的極化對(duì)無(wú)對(duì)稱中心的異極晶體，當(dāng)外力X=0時(shí)，正負(fù)電荷重心重合，∑μi=0，對(duì)外不呈極化如圖；當(dāng)X≠0時(shí)，晶體發(fā)生形變，正負(fù)電荷重心分離，∑μi≠0，對(duì)外呈極性，產(chǎn)生了極化。因此由于外力作用，不僅產(chǎn)生了形變，同時(shí)引起了極化。+

－不具對(duì)稱中心晶體在外力作用下產(chǎn)生的極化結(jié)論：只有無(wú)對(duì)稱中心的晶體才可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

晶體的壓電效應(yīng)是由于應(yīng)力X、應(yīng)變x等機(jī)械量與電場(chǎng)強(qiáng)度E、電位移D等電氣能量之間的耦合效應(yīng)造成的，具有方向性。

一般鐵電體都具有壓電性能。3、電致伸縮與逆壓電效應(yīng)1）電致伸縮：任何電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下，都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力，這種應(yīng)力大小與電場(chǎng)強(qiáng)度E的二次方成正比，即X=αE2，該應(yīng)力使電介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，這種現(xiàn)象就是電致伸縮效應(yīng)。2）電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的區(qū)別電致伸縮效應(yīng)逆壓電效應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的二次效應(yīng)，即X=αE2電場(chǎng)強(qiáng)度的一次效應(yīng)，即X=dE存在于一切介質(zhì)中存在于無(wú)對(duì)稱中心的介質(zhì)中形變與電場(chǎng)強(qiáng)度方向無(wú)關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度方向改變，形變方向變化很弱很強(qiáng)4、鐵電體、熱釋電體和壓電體三者之間為包含關(guān)系，可由下圖簡(jiǎn)示：晶體壓電體（不具對(duì)稱中心的晶體）熱釋電體（具有自發(fā)極化）鐵電體（自發(fā)極化能隨外場(chǎng)定向）鐵電體具有熱釋電性和壓電性5壓電方程

壓電方程是綜合描述晶體的極化，彈性以及機(jī)電之間壓電耦合的方程，對(duì)不同的邊界條件，可得到不同的壓電方程

RV1應(yīng)力0011）晶體的邊界條件：

i.電學(xué)邊界條件：①r<<R，為電學(xué)短路邊界條件，表面束縛電荷通過(guò)短路，迅速消耗掉，在表面不能存在；②r>>R，為電學(xué)開路邊界條件，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷在表面積聚，D=0或常數(shù)。

ii機(jī)械邊界條件②

夾持邊界條件，邊界被夾持，不能自由變化，f振>f電,壓電晶體受邊界夾持，不能自由發(fā)生形變，x=0或常數(shù)。自由邊界條件，邊界未被夾持，可自由變化，E變化，晶體振動(dòng)，稱為壓電振子，形變∝E，壓電振子的振動(dòng)頻率與自身性質(zhì)有關(guān)，若f振<f電,壓電晶體可自由發(fā)生形變，X=0或常數(shù)。＋-壓電晶體有四類邊界條件第一類邊界條件：機(jī)械自由，電學(xué)短路；X=0/C，E=0/C；第二類邊界條件：機(jī)械夾持，電學(xué)短路；x=0/C，E=0/C；第三類邊界條件：機(jī)械自由，電學(xué)開路；X=0/C，D=0/C；第四類邊界條件：機(jī)械夾持，電學(xué)開路；x=0/C，D=0/C；

二、壓電陶瓷的極化工藝

1、壓電陶瓷的極化

在壓電陶瓷上加一個(gè)強(qiáng)直流電場(chǎng)（或電壓）使陶瓷中的電疇沿電場(chǎng)方向取向排列，這個(gè)過(guò)程稱為壓電陶瓷的極化。只有經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)。為什么？陶瓷是多晶多相結(jié)構(gòu)，其晶粒取向與電疇取向完全是隨機(jī)的，各鐵電疇之間的壓電效應(yīng)將互相抵消，從宏觀上不顯示電性。外施強(qiáng)直流電場(chǎng)作用，將促使各晶粒的自發(fā)極化軸（電疇）將沿電場(chǎng)方向取向，去掉外場(chǎng)后，電疇有很大一部分仍保持極化后的方向，即剩余極化，使陶瓷類似具有單一晶軸的壓電晶體，因而具有壓電特性。要使壓電陶瓷得到完善的極化，充分發(fā)揮其壓電性能，就必須合理選擇極化條件：

極化電場(chǎng)

極化溫度

極化時(shí)間1）

極化電場(chǎng)

是指加在樣品單位長(zhǎng)度上的極化電壓。只有在極化電場(chǎng)作用下，電疇才能沿電場(chǎng)方向取向排列，所以極化電場(chǎng)是極化諸條件中的主要因素。影響極化電場(chǎng)的因素有：注意：不同機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到最大值的極化電場(chǎng)不一樣，如PbTiO3，Kp,K31在2kV/mm時(shí)達(dá)最大，而K33、K15、Kt需在6kV/mm時(shí)達(dá)最大。a)

Kp：機(jī)電耦合系數(shù)

極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越完善，Kp越大。一般以Kp達(dá)到最大值的電場(chǎng)為極化電場(chǎng)。EKp3kV/mm

從圖上可以看出，樣品的極化電場(chǎng)為3kV/mm時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到飽和狀態(tài)，再增加電場(chǎng)，作用不大。b)矯頑電場(chǎng):極化電場(chǎng)必須大于矯頑電場(chǎng)，且為矯頑電場(chǎng)的二到三倍.矯頑電場(chǎng)Ec與樣品的組成、結(jié)構(gòu)、溫度均有很大關(guān)系，相應(yīng)的極化電場(chǎng)也會(huì)隨Ec而改變，因?yàn)椴煌s質(zhì)會(huì)導(dǎo)致晶體的晶胞參數(shù)改變，對(duì)c/a越小，極化時(shí)電疇90°轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的內(nèi)應(yīng)力越小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向較容易，因此極化較充分。c)

極化溫度：Ec隨T升高而降低，因此極化溫度高，則極化電場(chǎng)相應(yīng)減小。d)

Eb:極化電場(chǎng)會(huì)受擊穿強(qiáng)度的限制，在較高的極化電場(chǎng)下，樣品會(huì)被擊穿。影響Eb的主要原因是：氣孔、縫隙及成分的不均勻性，因此必須盡可能保證樣品的致密度和均勻性。2）極化溫度前面我們已提到極化溫度升高，可降低極化電場(chǎng)，因此極化溫度對(duì)極化也有很大的影響。在極化電場(chǎng)和極化時(shí)間一定的條件下，溫度升高，電疇取向更容易，極化效果好，原因：a)

結(jié)晶的各向異性隨溫度升高而下降

對(duì)PbTiO3，在室溫時(shí)，10kV/mm仍不能完全極化；而在200℃時(shí)，用5.5kV/mm即可充分極化。對(duì)PbTiO3，在室溫時(shí)，c/a=1.063；在200℃時(shí)，c/a=1.050，即溫度升高，c/a減小,電疇作90°轉(zhuǎn)向所造成的內(nèi)應(yīng)力下降，即電疇轉(zhuǎn)向所受阻力下降，極化容易進(jìn)行。b)

雜質(zhì)引起的空間電荷效應(yīng)有些雜質(zhì)使樣品中出現(xiàn)大量空間電荷，空間電荷在樣品中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)對(duì)外加極化電場(chǎng)有屏蔽作用，溫度越高，電阻率越小，由空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的屏蔽越小，極化效果越好。3）

極化時(shí)間極化時(shí)間長(zhǎng)，電疇取向排列的程度高，極化效果好；極化初期，即電場(chǎng)剛加上去時(shí)，主要是180°疇的反轉(zhuǎn)，此種反轉(zhuǎn)過(guò)程不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在短時(shí)間內(nèi)可完成；90°疇轉(zhuǎn)向則由于內(nèi)應(yīng)力的阻礙而較難進(jìn)行，因此需較長(zhǎng)時(shí)間方能完成。對(duì)不同材料，適宜采用的極化時(shí)間有很大差別，而對(duì)同一種材料，極化時(shí)間與極化電場(chǎng)、極化溫度有關(guān)，E、T高可縮短極化時(shí)間。2、極化工藝

因空氣的擊穿強(qiáng)度較低，在室溫下只有2kV/mm，通常用油浸極化。原因：有機(jī)硅油或變壓器油絕緣性能好，在油中溫度易恒定。因此將樣品放入在有機(jī)硅油或變壓器油中進(jìn)行極化。工藝如下：a)

上電極--磨邊--清洗--烘干--檢查，剔除電阻太小的樣品；b)

通電加熱極化池，油溫升到極化所需溫度；c)

將樣品放好，接通電源預(yù)熱幾分鐘，升電壓到所需數(shù)值，計(jì)時(shí)d)

關(guān)高壓開關(guān)，放電、清洗極化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象壓電陶瓷的擊穿類型有：樣品中存在氣孔、夾層或裂縫，引起擊穿；燒成時(shí)失鉛或燒銀時(shí)氧氣氛不足，使樣品邊緣部分被還原，產(chǎn)生邊緣擊穿；極化時(shí)90°疇轉(zhuǎn)向產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，由于應(yīng)力分布不均勻，形變不一致，而使樣品碎裂。解決方法：

在成型，燒結(jié)等工序中，防止分層，裂縫及氣孔的出現(xiàn)，提高致密度；

燒成時(shí)防止失鉛，燒銀時(shí)注意通氧；極化時(shí)緩慢升壓，防止樣品突變發(fā)生形變。本章重點(diǎn)介紹壓電陶瓷及其應(yīng)用，而作為壓電材料應(yīng)用的大多屬鐵電體，通常在介紹材料時(shí)會(huì)將鐵電壓電材料歸為一類。三、典型壓電材料前面我們已介紹的鐵電壓電材料以鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)為主，實(shí)際上，自1944年發(fā)現(xiàn)壓電性以來(lái)，人們對(duì)鐵電壓電體的研究就從未間斷，并從對(duì)晶體的研究轉(zhuǎn)向了對(duì)陶瓷的研究中。壓電材料常見結(jié)構(gòu)類型：鈣鈦礦型鎢青銅型鈮酸鋰型磷酸二氫鉀型水溶性有機(jī)鐵電體與晶體相比，壓電陶瓷具有制造容易，可做成各種形狀，可任意選擇極化軸方向，易于改變瓷料組分而得到不同性能的陶瓷材料，成本低，適用于大批量生產(chǎn)，但穩(wěn)定性、一致性和精度方面沒有單晶好。1）一元系壓電陶瓷a）BaTiO3系壓電陶瓷預(yù)極化后的BaTiO3壓電陶瓷的壓電、介電、彈性系數(shù)如圖：-200-160-120-80-4004080120(1/s11E)/1010Paεε(1/s11E)KpKpT/℃1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷單晶及極化后陶瓷的介電與壓電性能比較見下表：為等靜壓壓電系數(shù)參數(shù)(10-12C/N)陶瓷14001900142033-97191單晶16810916.6-34.585.6參數(shù)KpK31K33g31g33ρ(g/cm3)10-3Vm/N陶瓷0.3540.2080.493-4.711.4約5.7單晶0.3150.560-2357.56.01壓電系數(shù)改性：以Pb取代Ba，可使居里點(diǎn)提高，第二相轉(zhuǎn)變點(diǎn)下降，使兩個(gè)相轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度區(qū)間擴(kuò)大。在此溫度區(qū)間內(nèi)各壓電參數(shù)的熱穩(wěn)定性有所提高，且壓電效應(yīng)增大，晶格畸變大，矯頑電場(chǎng)增加。若以Ca取代Ba，雖然居里點(diǎn)沒有明顯變化，但第二相轉(zhuǎn)變點(diǎn)也降低，并提高了壓電、介電及彈性參數(shù)的熱穩(wěn)定性，減少了介電損耗。下圖分別表示了Pb、Ca改性后，陶瓷的壓電系數(shù)與溫度的關(guān)系。-2002040（T/℃）-2002040（T/℃）K31d31

改性前含5.1%PbTiO3含10.4%PbTiO3含6.8%CaTiO3含11.7%PbTiO3+7.7%CaTiO3

-2002040（T/℃）g31由圖可見，經(jīng)過(guò)Pb、Ca改性后第二相轉(zhuǎn)變點(diǎn)已移至-20℃，各壓電系數(shù)雖有所下降，但其熱穩(wěn)定性卻在提高。經(jīng)Pb和Ca同時(shí)改性后，d31基本不隨溫度變化而變化。此外添加其它元素改性，如添加La,Bi,Nb,Ta等，可提高材料的高溫電阻率；添加Co,Ni,Cr則可降低材料的強(qiáng)場(chǎng)損耗。b）PbTiO3系壓電瓷PbTiO3也屬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體，居里溫度為490℃。在此溫度下會(huì)發(fā)生順電立方相與鐵電四方相的轉(zhuǎn)變。其相變前后晶胞參數(shù)的變化與BaTiO3類似，但PbTiO3的c/a=1.063，較BaTiO3的c/a=1.01大，即具有更大的各相異性。

PbTiO3的矯頑電場(chǎng)大，故對(duì)其極化較困難。前面已介紹了極化溫度、時(shí)間與極化電場(chǎng)的關(guān)系。對(duì)PbTiO3其極化條件應(yīng)為：200℃，6.5kV/mm。PbTiO3陶瓷的工藝性能差，除了在高溫?zé)Y(jié)時(shí)容易出現(xiàn)PbO揮發(fā)外，已燒好的瓷件在冷卻過(guò)程中易出現(xiàn)粉化。原因：陶瓷晶粒之間的界面能高，晶粒間缺乏足夠的結(jié)合能力，當(dāng)瓷體由順電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相時(shí)，由于電疇及晶粒的取向不同，c/a比和體效應(yīng)（膨脹）的作用，使晶?；蛄＝缙屏?。解決方法：適量添加Li,Ni,Mn,Fe等附加成分，可促進(jìn)燒結(jié)，形成合適的粒間相，提高致密度，降低氣孔率，使相變過(guò)程中的體效應(yīng)得到緩沖，可防止粉化，提高機(jī)械性能。壓電陶瓷的晶粒粗細(xì)，很大程度上決定陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)。這是由于在具有微粒結(jié)構(gòu)的陶瓷中，大量致密粒界的出現(xiàn)，既有利于自發(fā)極化的定向，也能使逆壓電效應(yīng)帶來(lái)的大量幾何形變和應(yīng)力得到緩沖，這種緩沖作用，使大量機(jī)械能不能以適當(dāng)?shù)姆绞匠浞謧鬟f出去，而使K值下降。因此想獲得足夠高的K值，必須嚴(yán)格控制有K33

關(guān)添加物的種類及含量。右圖為添加物與PbTiO3陶瓷K33的關(guān)系。極化時(shí)間/h1%Bi2O3(晶粒0.17μm)1%WO3(晶粒0.37μm)1%MnO2(晶粒0.69μm)2用途：PbTiO3陶瓷的介電系數(shù)小，熱釋電系數(shù)大，接近60nC/cm2K，居里溫度高、密度大，抗輻射性好，是一種理想的熱釋電控測(cè)器材料，但由于含鉛，且鉛易揮發(fā)，因此需在隔離室內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，以防止由于高溫鉛揮發(fā)造成人體中毒。2)

二元系壓電陶瓷——PbZrO3-PbTiO3系此類二元系壓電陶瓷的壓電性能和溫度穩(wěn)定性能均優(yōu)于BaTiO3壓電陶瓷，且不同配比和含雜改性的陶瓷其性能有很大區(qū)別，我們將這類陶瓷簡(jiǎn)稱為PZT系列，廣泛用于水聲、電聲和通訊濾波器中。PZT結(jié)構(gòu)特性：PbZrO3也是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是居里點(diǎn)為230℃的反鐵電體。當(dāng)溫度高于230℃時(shí)，為立方順電相，低于此溫度則轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪?。相變前后晶胞參?shù)會(huì)發(fā)生變化，其變化與PbTiO3類似，但在溫度低于居里點(diǎn)時(shí)，PbZrO3的c軸縮短，而a、b伸長(zhǎng)，因此c/a小于1。相變前后晶胞參數(shù)與溫度的關(guān)系如下圖：a’(a2c)1/3c’三方四方a=bca=ba=b=cc’由于PbZrO3與PbTiO3結(jié)構(gòu)相似，且Zr與Ti離子半徑相近，故二者可無(wú)限固溶。在不同溫度下，其晶型結(jié)構(gòu)及晶胞參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。FR（高溫）FR（低溫）ATA0Pc準(zhǔn)同型相界Tc線FtPZPT

FR—鐵電三方相，F(xiàn)t—鐵電四方相，AT—反鐵電四方相，A0—反鐵電正交相，Pc—順電相隨Ti、Zr比的變化，居里溫度Tc近似于線性從230變至490，Tc以上為順電相，不具鐵電性和壓電性。在Tc以下，當(dāng)Zr/Ti=53/47附近時(shí)，有一條同質(zhì)異晶界線，稱為準(zhǔn)同型相界。在富鈦側(cè)為四方晶系，富鋯側(cè)為三角晶系，直到Zr/Ti=94/6時(shí)，都是鐵電體。而當(dāng)Ti含量小于6%時(shí)，為反鐵電相，此時(shí)無(wú)壓電效應(yīng)。FR（高溫）FR（低溫）ATA0Pc準(zhǔn)同型相界Tc線FtPZPT在常規(guī)制作的陶瓷中，準(zhǔn)同型相界并不是一個(gè)非常明確的成分分界線，而是具有一定寬度成分比范圍內(nèi)的相重疊區(qū)，在此成分比的區(qū)段內(nèi)，陶瓷體內(nèi)各晶粒之間或在同一晶粒之內(nèi)可以同時(shí)存在四方相和三方相，在此狀態(tài)下，四方相與三方相之間的自由能差很小。這種結(jié)構(gòu)上的相并存，使陶瓷的電氣物理性能在此處出現(xiàn)突躍現(xiàn)象如下圖所示：KpεPTPZ由于兩相共存，且兩相間的自由能相差小，轉(zhuǎn)變激活能低，只要微弱的外電場(chǎng)誘導(dǎo)，即可發(fā)生相轉(zhuǎn)變，使不同取向晶粒之間的自發(fā)極化軸盡可能地調(diào)整統(tǒng)一的外場(chǎng)方向上來(lái)。所以其介電常數(shù)、幾何形變及K值均出現(xiàn)極大值。隨著自發(fā)極化的加強(qiáng)，電疇定向充分，疇壁轉(zhuǎn)向過(guò)程的內(nèi)磨擦加劇，使介電損耗增加，因而其品質(zhì)因數(shù)下降。從上面討論可以知道，可采用調(diào)整Zr、Ti比的方法，以獲得各種不同性能的PZT壓電陶瓷。下圖為不同Zr/Ti比的壓電性能。PZT隨組分不同，d的變化PZT隨組分不同，ε的變化PZT隨組分不同，s的變化PZT的摻雜改性和鐵電陶瓷中的情況相似，在PZT中添加不同雜質(zhì)，特別是用適當(dāng)元素對(duì)A、B位元素進(jìn)行取代，可人為按某特定方式改進(jìn)所需陶瓷的壓電性能，改性方法如下：i)

等價(jià)A位取代：常用元素有Sr2+、Ca2+、Mg2+。由于其半徑較Pb小，取代后的晶格常數(shù)會(huì)略有縮小。Sr取代Pb，Tc下降，常溫介電常數(shù)增加，且燒成溫度下降，燒成溫區(qū)加寬，從而大大改善了其工藝性能。

Ca取代Pb，由于Ca較Sr更小，故其晶格畸變更顯著。用

Sr、Ca取代Pb（Zr0.53Ti0.47）O3陶瓷的主要性能如下表A位離子瓷體密度/g/cm3Pb7.40Pb0.99Ca0.01Pb0.95Ca0.05Pb0.92Ca0.087.427.266.86Pb0.99Sr0.01Pb0.95Sr0.05Pb0.90Sr0.10

Pb0.85Sr0.15Pb0.80Sr0.207.427.477.226.906.485446249738885841002112912601257Tanδ/10-kp0.480.490.440.320.490.500.490.430.34D31/1012C/NG31/kV·m/NTc/℃-7114.7385-77-83-6013.910.27.6

-75-101-103-97-8614.511.4

360290242ε可以看出，適量Sr、Ca的摻入可使其介電、壓電及機(jī)電耦系數(shù)增加，Tc下降。

以Mg取代Pb，由于Mg離子半徑更小，其固溶限更小，實(shí)際上Mg取代量一般不超過(guò)5mol%，過(guò)量的鎂將以MgTiO3或其它化合物形式作為第二相物質(zhì)于粒界分凝，沖淡陶瓷的鐵電性與壓電性。少量Ca、Sr、Mg以碳酸鹽或氧化物引入瓷料配方中，還可起到礦化劑作用，能夠控制晶粒生長(zhǎng)，形成細(xì)晶結(jié)構(gòu)，提高瓷體致密度，同時(shí)提高品質(zhì)因數(shù)Qm。ii)高價(jià)缺位取代：用與Pb離子半徑相近而價(jià)態(tài)為三價(jià)的離子如La、Nd、Sm進(jìn)入A位，用與Zr、Ti離子半徑相近的五價(jià)離子如Nb、Ta、Sb和六價(jià)的W進(jìn)入B位。由于其電價(jià)較原晶格格點(diǎn)上離子價(jià)態(tài)高，再加上Pb在高溫?zé)Y(jié)時(shí)易揮發(fā)，因而會(huì)產(chǎn)生A位離子空位，即Pb缺位。這會(huì)導(dǎo)致PZT陶瓷的壓電特性產(chǎn)生一系列的變化。其突出表現(xiàn)是矯頑電場(chǎng)降低，我們將這種取代稱為“軟性”取代。其作用過(guò)程：應(yīng)力緩沖效應(yīng)：與固溶型鐵電陶瓷中的展寬效應(yīng)類似。A缺位出現(xiàn)，使由于逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力及幾何形變?cè)谝欢ǖ目臻g范圍內(nèi)得到緩沖，因而使電矩反轉(zhuǎn)時(shí)所要克服的作用勢(shì)壘降低，即疇夾持效應(yīng)減小，從而出現(xiàn)介電常數(shù)、損耗的增加、K值增加及品質(zhì)因數(shù)下降。由于空間應(yīng)力受到緩沖，當(dāng)所施加的外電場(chǎng)除去后，剩余電矩能夠迅速地穩(wěn)定下來(lái)，因此有好的老化特性。電荷補(bǔ)償效應(yīng)：在高溫狀態(tài)下，由于PbO的蒸氣壓高，揮發(fā)性大，會(huì)出現(xiàn)失鉛，即形成非化學(xué)計(jì)量比的Pb缺位，這種缺位形成了兩價(jià)的負(fù)電中心，易捕獲空穴，形成受主能級(jí)，具有P型電導(dǎo)特性。引入高價(jià)離子取代后，將帶來(lái)過(guò)量電子，形成施主能級(jí)，因此適量高價(jià)取代離子的引入可以使Pb缺位時(shí)出現(xiàn)的電子不足得以補(bǔ)償，而降低陶瓷的電導(dǎo)，使其絕緣電阻率增加。高的體電阻有利于極化時(shí)采用較高電場(chǎng)，使機(jī)電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)有所提高，充分發(fā)揮材料的壓電特性，而不致發(fā)生擊穿。高價(jià)取代離子的引入還會(huì)使載流子密度下降，空間電荷密度下降，而不會(huì)在極化時(shí)產(chǎn)生空間電荷積聚形成內(nèi)偏電場(chǎng)，因此使矯頑電場(chǎng)下降，從而使介電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)增加，品質(zhì)因數(shù)下降，同時(shí)改善陶瓷的老化性能。

iii)低價(jià)等數(shù)離子取代：用K、Na等一價(jià)堿金屬離子進(jìn)入A位取代Pb，或用Fe、Co、Ni、Mn、Cr等二價(jià)或三價(jià)金屬離子取代B位。這些低價(jià)離子的引入會(huì)使晶格格點(diǎn)上出現(xiàn)氧缺位，以使電荷得到平衡。由于低價(jià)離子的引入，使瓷體空間電荷密度（受束縛的）增大，這些空間電荷不參與電導(dǎo)，但在熱和電場(chǎng)等作用下，可能在一定空間轉(zhuǎn)移或積聚。

由于Pb缺位下降，緩沖作用被削弱，而空間電荷密度的增加，使反向偏置場(chǎng)建立，同時(shí)晶格畸變，因此使電疇轉(zhuǎn)向受到更大阻礙，因此材料的矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度增加，介電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)變小，損耗下降，品質(zhì)因數(shù)增加，即材料“變硬”。極化與去極化困難。3)三元系壓電陶瓷

a)三元系壓電陶瓷的組成特性三元系壓電陶瓷是在PZT基礎(chǔ)上再添加第三組分形成的復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。其組分可表示為(A,A’)(B,B’)O3.三元系及更多元系固溶型壓電陶瓷和PZT瓷相比，都具有工藝性能好，壓電性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

由于多種氧化物的出現(xiàn)，使低共熔點(diǎn)降低，從而降低燒成溫度，使鉛揮發(fā)顯著減少，因此在多元系壓電陶瓷中可較好地控制鉛的含量。

由于第三相成分的出現(xiàn)，在一定條件下會(huì)出現(xiàn)多相共存，而使其壓電性能得到改善。

b)幾種典型的三元系壓電陶瓷（看書）2、鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電壓電材料

1949年馬格尼里（Magneli）發(fā)現(xiàn)了KxWO3、NaxWO3化合物，它們具有“青銅”的金屬光澤（赤褐色），稱這類材料為鎢青銅型結(jié)構(gòu)化合物。人們研究出了一系列的鐵電體具有這種結(jié)構(gòu)，故稱這類鐵電材料為鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電材料。其實(shí)，這類材料中不一定含有“鎢”元素。

鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電體，是僅次于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鐵電材料的又一大類雙氧化合物鐵電體。

常見的有：偏鈮酸鉛(PbNb2O6)、偏鉭酸鉛（PbTa2O6）等簡(jiǎn)單鎢青銅型化合物。鈮酸鍶鋇，鈮酸鋇鈉，鈮酸鋇鋰，鈮酸鉀鋰等復(fù)雜鎢青銅型結(jié)構(gòu)化合物。1)鎢青銅型晶體的結(jié)構(gòu)鎢青銅型晶體的結(jié)構(gòu)由氧八面體作“骨架”堆積而成的。一個(gè)四方晶胞由10個(gè)氧八面體通過(guò)它們的公共頂角連接而成。它有平行于C軸、貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)、可供陽(yáng)離子占據(jù)的填隙位置A1、A2和C。A1位置處于平行于C軸的四方型棱柱空洞之中，每個(gè)A1位置周圍有12個(gè)氧離子。A2位置處于平行于C軸的五邊形棱柱空洞之中，每個(gè)A2位置周圍有15個(gè)氧離子。C位置處于平行于C軸的三角形棱柱空洞之中，每個(gè)C位置周圍有9個(gè)氧離子。這三種位置的空隙以A2最大，A1次之，C最小。氧八面體中心又因所處的位置對(duì)稱性不同，分為B1和B2兩種。它們也填隙陽(yáng)離子。B1位置處于兩相鄰晶胞間的四面體中心。B2位置是在A2位置周圍。一個(gè)氧八面體的高度為四方單胞在C軸方向的長(zhǎng)度。一個(gè)四方晶胞包含2個(gè)A1位置，4個(gè)A2位置，4個(gè)C位置和10個(gè)氧八面體。10個(gè)氧八面體有位于頂角上的30個(gè)氧離子，2個(gè)B1和8個(gè)B2體心位置。所以，每個(gè)四方晶體的結(jié)構(gòu)填充公式為(A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30或(A1)2(A2)4(C)4B10O30。A位置不一定全部填充陽(yáng)離子，故此結(jié)構(gòu)填充式又可以寫成AxB10O30。5個(gè)偏鈮酸鉛（PbNb2O6）構(gòu)成一個(gè)晶胞鎢青銅型結(jié)構(gòu)中，A1、A2、C、B1和B2位置可以填滿價(jià)數(shù)不同的陽(yáng)離子，也可以部分地填充、部分地空著。B位置填充Nb5+的鐵電化合物稱為具有鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鹽鐵電體。該類化合物除Nb5+填滿氧八面體體心外，其他金屬離子則填充或部分填充在A1、A2和C位置上。金屬離子的數(shù)目依電中性的要求而定。（1）完全填滿型鎢青銅型鈮酸鹽鐵電體

該類鐵電體的四方單胞中A1、A2和C位置，全部被陽(yáng)離子填充。如:K6Li4Nb10O30,K填充于A1、A2位置上，Li填充于C位置。（2）填滿型鎢青銅型鈮酸鹽鐵電體

該類鐵電體的四方單胞中A1、A2均被陽(yáng)離子填充，而C位置空著。如：Pb4K2Nb10O30,Pb和K分別填充于A1、A2上，而C位空。

（3）非填滿型鎢青銅型鈮酸鹽鐵電體

該類鐵電體的四方單胞中C位置也空著，而6個(gè)A位置僅部分填充陽(yáng)離子，部分空著。如：PbNb2O6。根據(jù)離子填充情況，鎢青銅型結(jié)構(gòu)鈮酸鹽鐵電體可分成下列三種類型：填滿型和完全填滿型鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電體沒有光損傷，具有優(yōu)良的光電性能和光學(xué)穩(wěn)定性。為了得到填滿型或完全填滿型結(jié)構(gòu)材料，在制備材料過(guò)程中，往往采用低價(jià)陽(yáng)離子取代部分高價(jià)陽(yáng)離子的方法來(lái)增加陽(yáng)離子的數(shù)目，使空隙填滿或者完全填滿。通常用一價(jià)的K\Na\Li取代二價(jià)陽(yáng)離子，用四價(jià)陽(yáng)離子取代Nb離子。具有鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鐵電體，當(dāng)溫度降低到Tc以下時(shí)，處于A1、A2、B1、B2、C位置的所有金屬離子，相對(duì)于附近陽(yáng)離子平面發(fā)生位移，從而產(chǎn)生自發(fā)極化。一般自發(fā)極化方向沿C軸方向。常見的系列：a)偏鈮酸鉛晶體PbNb2O6屬于未填滿型鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電體。單位晶體含5個(gè)PbNb2O6分子，可以寫成Pb5Nb10O30的形式。5個(gè)Pb隨機(jī)地分布在6個(gè)A位置上，10個(gè)Nb填滿10個(gè)B位置。特點(diǎn)：偏鈮酸鉛（PbNb2O6）單晶體熔點(diǎn)為1343℃，密度為6.6×103Kg/m3，呈現(xiàn)淡黃色或黃綠色。壓電性能好，Tc高Tc=560℃。溫度在Tc以上的晶體屬四方晶系4mm點(diǎn)群，為順電相。溫度在Tc以下的晶體屬正交晶系mm2點(diǎn)群，為鐵電相。在Tc附近無(wú)退極化，對(duì)超聲有高的響應(yīng)，是良好的超聲缺陷檢測(cè)換能器材料。晶體的晶胞隨著溫度的升高，晶胞參數(shù)a、c軸伸長(zhǎng)，b軸縮短；晶胞參數(shù)在Tc發(fā)生突變。自發(fā)極化方向垂直于c軸。ε峰達(dá)103PbNb2O6陶瓷制作工藝較容易。制備該陶瓷材料比制備PZT陶瓷優(yōu)越之處，是燒結(jié)時(shí)由于Nb2O5的存在大大降低了PbO的飽和蒸汽壓。在正常燒結(jié)時(shí)，產(chǎn)品失鉛很少。在剛低于熔點(diǎn)溫度燒結(jié)的陶瓷材料，重量損失小于1％。b)鈮酸鍶鋇晶體鈮酸鍶鋇SrxBa1-xNb2O6簡(jiǎn)寫成SBN,是SrNb2O6和BaNb2O6的固溶體，其固溶范圍較寬，x可在0.25～0.75之間變化。調(diào)節(jié)組分，可以制備出不同性能的SBN晶體。SBN單晶的鐵電居里溫度Tc隨BaNb2O6含量的增多而線性升高。T>Tc時(shí)，晶體屬四方晶系，為順電相。在此溫度范圍，由于晶體結(jié)構(gòu)時(shí)無(wú)中心對(duì)稱的，所以有壓電性。當(dāng)時(shí)T<Tc時(shí)，晶體屬四方晶系，為復(fù)合鎢青銅型結(jié)構(gòu)鐵電體。SBN晶體具有良好的光學(xué)性能和電光性能。其線性電光系數(shù)大，有效線性電光系數(shù)為鈮酸鋰晶體的10－100倍。所以SBN晶體是一種良好的光電材料。利用其線性電光效應(yīng)，可以作成電光調(diào)制器等器件。SBN單晶具有顯著的熱釋電效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整組分可以調(diào)整熱釋電系數(shù)p和居里溫度。由于SBN的ε大，作成的探測(cè)器靈敏元電容大，不利于高頻、大面積情況下使用。因此，SBN晶體是用于低頻的小面積熱釋電紅外探測(cè)器的優(yōu)良材料。在SBN中摻入少量Pb或La、Nd和Sm等元素能改善其熱釋電性能。SBN單晶的制備:用提拉法沿籽晶【001】方向生長(zhǎng)。熔體盛在高頻感應(yīng)加熱的鉑金坩鍋中，在大氣氣氛條件下生長(zhǎng)。原材料采用高純度的。SBN晶體生長(zhǎng)中，存在開裂、產(chǎn)生條紋和出現(xiàn)折射率不均勻等問(wèn)題。研究表明，含Ba量較高的晶體容易開裂。而加入少量La2O3或稍多的Nb2O5的熔體對(duì)克服晶體開裂有顯著作用。c)鈮酸鋇鈉晶體BNN為填滿型鎢青銅型結(jié)構(gòu)鈮酸鹽鐵電體。每個(gè)晶胞中包含2個(gè)BNN分子。其晶胞中，2個(gè)A1位置被2Na個(gè)填滿，4個(gè)A2位置被4個(gè)Ba填滿，10個(gè)氧八面體體心被10個(gè)Nb填滿，C位置空著。

BNN居里溫度為560℃。當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，晶體屬四方晶系4/mmm點(diǎn)群，無(wú)鐵電性，也無(wú)壓電性；當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，屬鐵電相。主要特點(diǎn)：BNN晶體在a軸方向的介電系數(shù)隨溫度升高稍有變化；而沿c軸方向的介電系數(shù)隨溫度升高增加很快。BNN是無(wú)色或微帶黃色的透明晶體。正交鐵電相單晶是負(fù)雙軸晶體。BNN單晶體在100℃時(shí)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)相位匹配，可將近紅外光以100％的效率轉(zhuǎn)換為的綠光，且無(wú)光損傷。BNN晶體對(duì)Nd:YAG激光器的二次諧波具有很高的倍頻效率，是目前得到的最好倍頻晶體材料，也是激光倍頻器、連續(xù)參量振蕩器的優(yōu)良材料。四、透明電光陶瓷

這是鐵電性能的一個(gè)重要應(yīng)用。

一般的陶瓷材料是由許多晶粒結(jié)合而成的，由于在陶瓷晶界處存在氣孔和非晶質(zhì)層，折射率不連續(xù)，光在此處出現(xiàn)反射、折射甚至散射，所以是不透明的。前面已介紹過(guò)影響陶瓷透明的主要因素，并了解到對(duì)一定材料采用適當(dāng)?shù)姆椒商岣卟牧系耐该鞫?。而具有鐵電性的透明陶瓷，可通過(guò)電場(chǎng)作用改變其光學(xué)性能，我們稱之為透明電光陶瓷。1、鐵電陶瓷的電光特性

光線在介質(zhì)中傳播速度與介電系數(shù)的平方根成反比，因此介電常數(shù)的變化相當(dāng)于折射率的變化。

對(duì)鐵電瓷而言，其介電常數(shù)大小可通過(guò)外加電場(chǎng)作適量控制，因此可以通過(guò)改變外加電場(chǎng)強(qiáng)度控制透明鐵電陶瓷的折射率。

因此光學(xué)性質(zhì)與鐵電性質(zhì)密切相關(guān)，其電疇狀態(tài)變化會(huì)伴隨著光學(xué)性質(zhì)的變化，是透明鐵電陶瓷的重要特點(diǎn)。

由外加電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。折射率與外場(chǎng)的關(guān)系可表示為：n=n00+aE0+bE02+…即：n-n00=aE0+bE02+…a、b為常數(shù)n00為E0=0時(shí)的折射率aE0為一次電光效應(yīng)，也叫線性電光效應(yīng)bE02為二次電光效應(yīng)。陶瓷是多晶體，它是由許多任意取向的小晶粒組成的。極化前，陶瓷內(nèi)自發(fā)極化取向是混亂的，總的極化強(qiáng)度表現(xiàn)為零。因此，陶瓷是由具有任意光軸的區(qū)域集合而成的，它是光學(xué)同性的。當(dāng)在陶瓷片上加一個(gè)足夠大的交變電場(chǎng)時(shí)，極化強(qiáng)度將隨電場(chǎng)E變化而出現(xiàn)電滯回線。飽和極化強(qiáng)度PSA對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)為飽和極化電場(chǎng)ESA。當(dāng)電場(chǎng)迅速?gòu)?ESA變至-ESA時(shí)，其極化強(qiáng)度也迅速由+PSA變至-PSA。當(dāng)陶瓷片被極化到飽和后，去掉電場(chǎng)，此時(shí)陶瓷的極化強(qiáng)度為最大剩余極化強(qiáng)度Pr。AOBCPrEcPs－EcPlEsP-Es此時(shí)在反方向加一電場(chǎng)，并使電場(chǎng)強(qiáng)度由0變至-E1（E1<ESA），再?gòu)?E1變至0，剩余極化強(qiáng)度不是Pr，而是經(jīng)由曲線B1變到Pr1（Pr1<Pr）。當(dāng)反向電場(chǎng)再?gòu)?變到-E2再到0時(shí)，極化強(qiáng)度經(jīng)由曲線B2變到Pr2。如右圖：依此類推，可得到Pr1、Pr2、…Prn。我們把它們稱為局部轉(zhuǎn)向剩余極化強(qiáng)度。用歸一化剩余極化強(qiáng)度表示為：Pr*=Prn/Pr，在±1之間變化。E=-E1-E2-E3B1Pr1Pr2Pr3EAOBCPrEcPs－EcPlEsP-EsB2B3由于加電場(chǎng)后，極化強(qiáng)度沿電場(chǎng)方向排列，因此通過(guò)電場(chǎng)強(qiáng)度和方向的控制，可使電疇排列狀態(tài)發(fā)生變化，相應(yīng)引起陶瓷的光學(xué)性質(zhì)的改變，即電光效應(yīng)。電光效應(yīng)可分為三種效應(yīng)：電控可變雙折射效應(yīng)電控可變光散射效應(yīng)電控表面形變鐵電陶瓷的電光特性與其晶粒大小密切相關(guān)，對(duì)平均粒徑小于2μm的細(xì)粒陶瓷，有突出電控雙折射效應(yīng)；對(duì)平均粒徑大于2μm的粗晶陶瓷，具有電控光散射效應(yīng)；電控表面形變，與陶瓷的晶粒大小無(wú)關(guān)。1）電控雙折射效應(yīng)在細(xì)晶陶瓷中，由于晶粒尺寸較小，疇壁對(duì)光的散射作用不大，雙折射效應(yīng)比較突出。光雙折射效應(yīng)：自然光進(jìn)入非均勻介質(zhì)時(shí)，一般都分為振動(dòng)方向互相垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，分別構(gòu)成兩條折射光線(常光o和非常光e），這種現(xiàn)象稱為雙折射

當(dāng)光沿著介質(zhì)晶體的光軸入射時(shí)，不發(fā)生雙折射，只有n0存在；當(dāng)光沿著垂直于光軸的方向入射時(shí)，產(chǎn)生雙折射，且ne達(dá)到最大值，為材料常數(shù)。經(jīng)極化處理后的透明陶瓷，其光學(xué)性質(zhì)與單軸晶體類似，光軸方向與極化軸的方向一致。當(dāng)光沿垂直于陶瓷片的極化軸方向傳播時(shí)，其有效雙折射為：Δn=ne-n0有效雙折射與陶瓷的極化狀態(tài)有關(guān)，也與外加電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。因此，通過(guò)控制透明鐵電陶瓷的極化電場(chǎng)，改變其剩余極化強(qiáng)度大小，可以改變陶瓷有效雙折射率Δn大小。這種現(xiàn)象稱為電控可變雙折射效應(yīng)。有效雙折射與剩余極化的關(guān)系如圖Pr*Δn由于o光與e光在陶瓷中傳播速度不同，因此兩束偏振光通過(guò)陶瓷片后，將產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)延遲由于陶瓷片的雙折射與其剩余極化強(qiáng)度有關(guān)，故兩光束的位相延遲與陶瓷片的剩余極化有關(guān)，當(dāng)極化電場(chǎng)改變時(shí)，剩余極化也隨之變化，因而可以用電的方法改變陶瓷片的雙折射，利用這種特性，可制成多種電光器件。式中，t為陶瓷片的厚度。若用位相差表示，則其相延遲為：式中，λ為入射光在真空中的波長(zhǎng)，t為陶瓷片的厚度。利用電控雙折射制成電光器件原理圖如下：1）陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理，使極化軸沿x2方向；2）在x2方向制作一對(duì)電極，并在電極上施加偏壓電場(chǎng)，以控制x2方向的剩余極化電場(chǎng)；3）入射光為單色光，沿x3方向。4）檢偏器與起偏器正交。工作原理：光經(jīng)起偏器后光沿ζ1方向偏振，光繼續(xù)沿x3方向入射到陶瓷片。由于陶瓷片的雙折射效應(yīng)，將沿ζ1方向偏振的光束分解成兩束傳播速度不同，但仍然沿X3方向傳播的偏振光，其中一束沿X2方向偏振（e光），另一束沿X1方向偏振（O光）。由于兩束光的傳播速度不同，當(dāng)光束經(jīng)過(guò)厚度為t的陶瓷片后會(huì)產(chǎn)生相對(duì)延遲Γ=Δnt，然后入射到檢偏器。由于檢偏器與起偏器正交，即ζ1與ζ2垂直，檢偏器只允許沿ζ2方向振動(dòng)的光通過(guò)。陶瓷的極化軸P與X2平行，且與ζ1、ζ2成45°。設(shè)入射光的振幅為A，經(jīng)過(guò)瓷片后被分解為Ae,Ao兩分量，且：Ae=Ao=Acos45°兩分量經(jīng)檢偏器時(shí)，只有ζ2方向的分量Ae’，Ao’能通過(guò)：Ae’=Ao’=Acos245°=A/2由于兩束光經(jīng)過(guò)陶瓷片時(shí)產(chǎn)生了相對(duì)延遲：Γ=Δnt其位相延遲為：φ1=（2π/λ）Γ=（2π/λ）Δnt經(jīng)過(guò)檢偏器后，Ae’與Ao’的方向正好相反，形成位相差π，所以經(jīng)過(guò)陶瓷片和檢偏器后，Ae’與Ao’的總位相延遲為：φ=（2π/λ）Δnt+π由于Ae’和Ao’振幅相等，位相差為φ，其合矢量為A’=2Ao’cosφ/2經(jīng)過(guò)陶瓷片和檢偏器后振幅為：A’=Asin[(π/λ)Δnt]因光強(qiáng)與振幅的平方成正比，所以I出=（A’）2=A2sin2[(π/λ)Δnt]=I入sin2[(π/λ)Δnt]可得透射因子T=I出/I入=sin2[(π/λ)Δnt]對(duì)單色光：光波長(zhǎng)λ不變，陶瓷片厚度t一定，透射因子T只與電控雙折射Δn有關(guān)。對(duì)一定組成的透明電光陶瓷（PLZT），即可通過(guò)調(diào)整偏壓場(chǎng)E的大小獲得不同強(qiáng)度的輸出光。若調(diào)整E，使Γ=Δnt=N/λ,得T=0，消光若調(diào)整E，使Γ=Δnt=（N-1/2）/λ,得T=1，透過(guò)率最大。對(duì)白光：波長(zhǎng)滿足λ=2Δnt/（2N-1）的光將順利通過(guò)，而波長(zhǎng)為λ=Δnt/N的光將不能通過(guò)，因此對(duì)光能進(jìn)行光譜濾波而產(chǎn)生顏色。如果對(duì)陶瓷片分級(jí)施加電場(chǎng)，使極化一級(jí)一級(jí)轉(zhuǎn)換，則可以對(duì)透過(guò)光進(jìn)行選擇。形成光譜濾波器。2）電控光散射效應(yīng)

對(duì)粗粒電光陶瓷，電疇可以得到較大范圍的發(fā)展，疇壁對(duì)與疇壁切線相交方向的入射光，將產(chǎn)生明顯的散射作用，通過(guò)改變外場(chǎng)，調(diào)整電疇取向，即可控制光散射的變化，故稱為電控光散射。疇壁

光從一端經(jīng)過(guò)電光陶瓷，當(dāng)極化軸與陶瓷表面垂直時(shí)，大多數(shù)疇壁將與此表面垂直，即與入射光的方向平行，陶瓷將具有最小的散射作用，允許最大量的入射光通過(guò)，測(cè)定器將感受到最大值。電控散射光閥工作原理：改變電場(chǎng)方向，電疇取向變化，使與入射光的方向平行的疇壁減少，非平行的疇壁增加，散射作用也會(huì)加強(qiáng)，當(dāng)疇壁全部與入射光方向垂直時(shí)，其散射作用最明顯，透過(guò)光最少。這類器件的最大透過(guò)率與最小透過(guò)率之比（消光比）可達(dá)103數(shù)量級(jí)。3）電控表面形變效應(yīng)

在鐵電體中，電疇取向與一定的晶粒取向聯(lián)系著。由于電疇的局部反轉(zhuǎn)，使結(jié)晶軸向局部改變。對(duì)鐵電體而言，通常其晶軸比c/a≠1，因此其表面將出現(xiàn)凸凹形變。通過(guò)電場(chǎng)控制晶體表面形變的現(xiàn)象稱為電控表面形變效應(yīng)。把一大塊透明薄陶瓷片，劃分成許多小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域鍍上一對(duì)電極，利用以上效應(yīng)可制成圖象儲(chǔ)存和記憶器件。3、電光陶瓷的材料及工藝1）電光陶瓷材料由于鐵電單晶材料工藝復(fù)雜，光均勻性和化學(xué)成分控制調(diào)整困難，機(jī)械加工不易等，使其發(fā)展及應(yīng)用受到局限。而陶瓷工藝簡(jiǎn)單、成熟，并可按需要調(diào)整組分改善其性能，且成本遠(yuǎn)低與單晶材料，因此得到了快速發(fā)展。下表是1971年以來(lái)研究出的光電陶瓷。組分標(biāo)號(hào)年代（Pb,La）(Zr,Ti)O3PLZT1971（Pb,La）(Zr,Hf,Ti)O3PLHZT1973（Pb,Ba,Sr）(Zr,Ti)O3PBSZT1975（Pb,Sr）(In,Zr,Ti)O3PSIZT1976（Pb,Ba,La）Nb2O6PBLN1977（Pb,Ba,La）(Zn,Nb,Zr,Ti)O3PBLNZT1977K(Ta,Nb)O3KTN1979Pb(Sc,Nb)O3PSN1981(Pb,La)(Mg,Nb,Zr,Ti)O3PLMNZT1982(Ba,La)(Ti,Nb)O3BLTN1983（Pb,La,Li）(Zr,Ti)O3PLLZT1985盡管在實(shí)驗(yàn)室中研制出了各種組分的光電陶瓷，但真正商品化的目前只有PLZT。

PLZT是在PZT系列中添加鑭得到的。La在PZT中具有很高的固溶度，La取代Pb，為保證電價(jià)平衡，將產(chǎn)生正離子缺位，實(shí)際上A、B位均可能出現(xiàn)缺位，這與PbO含量及Zr/Ti比有關(guān)。在PZT中添加鑭后，其電滯回線加寬，矯頑電場(chǎng)降低，介電系數(shù)增加，機(jī)電偶合系數(shù)增大，透明度提高。不同組分材料性能差別較大，表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象也不同，用途也不同。

記憶區(qū)

（8/65/35）

線性區(qū)（8/40/60）

二次方區(qū)（9/65/35）記憶區(qū)：低矯頑電場(chǎng)，方形電滯回線，高壓電系數(shù)和光電系數(shù)。用途：主要用在記憶，光閥，光記憶顯示，光譜濾色器等。典型組成：8/65/35線性區(qū)：高矯頑電場(chǎng)，屬硬性材料。極化至飽和的材料有線性電光效應(yīng)（一次電光效應(yīng)）。用途：主要用在線性電光調(diào)制，瞬時(shí)開關(guān)等。典型組成：8/40/60二次方區(qū)：矯頑電場(chǎng)幾乎為零，加上電場(chǎng)時(shí)有雙折射，為電誘導(dǎo)鐵電。無(wú)電場(chǎng)時(shí)具有各向同性。用途：具有典型的二次電光效應(yīng)，用作二次電光調(diào)制。典型組成：9/65/352）透明電光陶瓷的工藝對(duì)透明電光陶瓷而言，反映其質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是透明度。影響陶瓷透明性的主要因素有：a)

微晶的各向異性b)

氣孔、異相、單一相內(nèi)的組成梯度c)雜質(zhì)d)

缺陷、界面等要使陶瓷達(dá)到足夠的透明度，必須具備下列幾個(gè)條件：a)

具有很高的致密性，以保證陶瓷氣孔率小；b)化學(xué)組成均勻，保證陶瓷中盡可能少的異相、單一相內(nèi)的組成梯度等；c)表面有足夠的光潔度，這主要是為了減少陶瓷的表面反射及散射。為達(dá)到以上條件，對(duì)陶瓷工藝提出了嚴(yán)格要求：a)粉料：高純、超細(xì)；配比嚴(yán)格；混合均勻；（采用化學(xué)共沉淀法）b)

熱壓工藝，通氧燒結(jié)，可保證材料的致密度和控制粒徑。壓電陶瓷是諧振體，當(dāng)它被用作壓電元件時(shí)，就稱為壓電振子或壓電陶瓷振子。利用諧振特性，可作成許多器件，如濾波器、壓電陶瓷變壓器等等。下面先給大家表征壓電陶瓷振子的主要性能參數(shù)。五、壓電陶瓷振子特性1、壓電陶瓷振子性能參數(shù)

機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)頻率常數(shù)N靜電容C0相對(duì)帶寬介質(zhì)損耗和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)：機(jī)電互作用能密度（也稱壓電能密度）與彈性能密度和介電能密度的幾何平均值之比。是反映壓電陶瓷機(jī)械能與電能之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)。

機(jī)電耦合系數(shù)不僅與壓電材料的性能有關(guān)，而且也與壓電振子的幾何形狀、振動(dòng)模式有關(guān)，所以不同形狀和振動(dòng)模式的振子所對(duì)應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)是不同的。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)：表示壓電陶瓷振子諧振時(shí)機(jī)械損耗大小，是衡量壓電陶瓷材料性能的重要參數(shù)之一。頻率常數(shù)N：壓電陶瓷振子的諧振頻率與沿振動(dòng)方向的尺寸之乘積為常數(shù)，此常數(shù)稱為頻率常數(shù)。頻率常數(shù)僅與材料的性質(zhì)和振動(dòng)模式有關(guān)。靜電容C0：主要反映壓電材料介電系數(shù)的大小。

靜電容C0的大小，不僅與壓電陶瓷材料的性能有關(guān)，而且還與振子的幾何尺寸有關(guān)。在濾波器設(shè)計(jì)中，它直接影響濾波器阻抗水平。相對(duì)帶寬：壓電振子的相對(duì)帶寬是并聯(lián)諧振頻率與串聯(lián)諧振頻率之差除以串聯(lián)諧振頻率。即

它的大小與材料的配方、制造工藝及振動(dòng)模式等有關(guān)。介質(zhì)損耗和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：壓電陶瓷在交變電場(chǎng)下，由發(fā)熱而導(dǎo)致的能量損耗稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗由極化損耗和介質(zhì)不均勻損耗等組成。介質(zhì)損耗一般用tanδ來(lái)表示，1/tanδ稱為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe。有兩種等效電路和計(jì)算方法：串連等效電路并聯(lián)等效電路串連等效電路

ω為交變電場(chǎng)的角頻率；Cs、r分別為串聯(lián)等效電路的靜電容和損耗電阻。rCs并聯(lián)等效電路

Cp和R分別為并聯(lián)等效電路的靜電容和損耗電阻。

RCp2、壓電振子的振動(dòng)模式壓電陶瓷振子的應(yīng)用范圍很廣，其中壓電陶瓷變壓器、壓電陶瓷濾波器等都是由壓電振子按一定方式處理或組合得到的，器件的參數(shù)很大程度取決于壓電振子的振動(dòng)模式。振子的振動(dòng)模式分為：

伸縮振動(dòng)：彎曲振動(dòng)：切變振動(dòng)：伸縮振動(dòng)模式壓電陶瓷振子常用的伸縮振動(dòng)模式又分為長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)模式、徑向方向的振動(dòng)模式和厚度方向的振動(dòng)模式。i．薄長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式所謂薄長(zhǎng)片就是指陶瓷片的長(zhǎng)度l遠(yuǎn)大于寬度w和厚度t，且寬度w遠(yuǎn)大于厚度t。電極極化方向振動(dòng)方向

陶瓷片的兩端處于機(jī)械自由振動(dòng)狀態(tài)。在外加交變電場(chǎng)作用下，薄長(zhǎng)片產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)。由于振動(dòng)時(shí)，片內(nèi)各點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致，因此振動(dòng)波是縱波，而且片子中心點(diǎn)的振幅為零，兩端的振幅最大。片子的整個(gè)長(zhǎng)度，只容納基波和半波長(zhǎng)?；ㄖC振頻率為：或適用諧振頻率范圍：200Hz——15kHz

注意：薄長(zhǎng)片除長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)外，也存在厚度和寬度方向的伸縮振動(dòng)。只不過(guò)在寬度和厚度方向的振動(dòng)比長(zhǎng)度方向的振動(dòng)小得多，這兩個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)長(zhǎng)度方向振動(dòng)的影響可以忽略而已。ii．薄圓片的徑向振動(dòng)模式薄圓片就是直徑D遠(yuǎn)大于厚度t的圓片。沿圓片的直徑方向作伸縮振動(dòng)稱為徑向振動(dòng)模式。極化方向極化方向與厚度方向平行，振動(dòng)方向與圓片半徑方向平行，振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，振動(dòng)波是縱波。圓片中心的振幅為零，是波的節(jié)點(diǎn)，波陣面是圓柱面?；ㄖC振頻率為：D-圓片直徑，ρ-陶瓷密度，σ-泊松比B-貝塞爾函數(shù)的根，與泊松比有關(guān)

σ=0.270.300.36B=2.032.052.08適用諧振頻率范圍：150Hz——1MHz相對(duì)帶寬范圍：1.6——15%或

若圓片采用環(huán)電極進(jìn)行分割，將出現(xiàn)高次泛音振動(dòng)，其振動(dòng)頻率比全電極的高出2.8倍左右。利用這種泛音振動(dòng)模的壓電陶瓷振子，能裝出更高頻率的濾波器來(lái)。電極分割線環(huán)電極分割電極環(huán)電極

iii．圓片的厚度伸縮振動(dòng)模式

圓片厚度伸縮振動(dòng)模式的振子，其形狀和極化，激勵(lì)電場(chǎng)的方向均與圓片徑向振動(dòng)模式的振子相同，因?yàn)檎褡涌梢宰龅煤鼙?，所以利用厚度伸縮振動(dòng)模式可以得到較高頻率，這種振動(dòng)模式的基波諧振頻率fr與圓片厚度成反比，即：極化方向振動(dòng)方向這種振動(dòng)模式要求片子的直徑D與厚度t之比這種振動(dòng)模式適用的頻率范圍為3～10MHz，相對(duì)帶寬在1～4％之內(nèi)。i．長(zhǎng)條厚度彎曲振動(dòng)模式

將兩個(gè)厚度相同，上有電極并經(jīng)過(guò)極化的長(zhǎng)條陶瓷片粘在一起，當(dāng)外加激勵(lì)電場(chǎng)就能使其中一片伸長(zhǎng)，另一片縮短時(shí)，從而產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。

對(duì)極化方向相反粘合的片子，以串聯(lián)方式接入電源，對(duì)極化方向相同粘合的片子，以并聯(lián)方式接入電源。彎曲振動(dòng)模式串聯(lián)型并聯(lián)型當(dāng)外加電壓的上電極為正、下電極為負(fù)時(shí)，上片的外加電場(chǎng)與極化方向相反，片子伸長(zhǎng)，下片極化方向與外加電場(chǎng)方向相同，片子縮短，產(chǎn)生凸形彎曲；反之則產(chǎn)生凹形彎曲。當(dāng)外加交變電場(chǎng)時(shí)，就產(chǎn)生了彎曲振動(dòng)。

彎曲振動(dòng)時(shí)，上部分要伸長(zhǎng)（縮短），下部分要縮短（伸長(zhǎng)），中間一定存在一個(gè)既不伸長(zhǎng)也不縮短的面。對(duì)于厚度相同的片子粘合，這個(gè)面就是粘合面。在不伸長(zhǎng)不縮短的粘合面上有a，b兩個(gè)點(diǎn)在振動(dòng)時(shí)始終保持不動(dòng)，這兩點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。aba，b兩點(diǎn)距離端頭0.224l處。

兩個(gè)粘合片中，電場(chǎng)只激勵(lì)其中一片也能產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。

同樣，如果將兩個(gè)壓電陶瓷片粘合在一薄金屬片上，或用一陶瓷片與一薄金屬片粘合在一起，也能產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。厚度彎曲振動(dòng)模式的諧振頻率與片子長(zhǎng)度及粘合片子總厚度的關(guān)系為：這里：為頻率常數(shù)，為與波數(shù)有關(guān)的系數(shù)，y為楊氏模量，ρ為陶瓷密度。長(zhǎng)條厚度彎曲振動(dòng)的相對(duì)帶寬為：0.25～3%適用頻率范圍：500Hz～20kHz振子的尺寸一般為：l=(6～10)w,w≥3.5tii、長(zhǎng)條寬度彎曲振動(dòng)模式

采用分割電極的方法，可使單一陶瓷片產(chǎn)生寬度方向的彎曲振動(dòng)（或稱棱變彎曲振動(dòng)模式），沿長(zhǎng)條陶瓷片的兩面電極的中線，將電極分割成兩部分，這樣就相當(dāng)于兩個(gè)陶瓷片粘合在一起。若在被分割的兩對(duì)電極上加上交變電場(chǎng)，就能產(chǎn)生沿寬度方向的彎曲振動(dòng)。長(zhǎng)條寬度彎曲振動(dòng)模式的諧振頻率式中，w為陶瓷片的寬度；l為陶瓷片的長(zhǎng)度；y為楊式模量；k為波數(shù)；ρ為陶瓷的密度。要求：適合的頻率范圍：幾千赫茲到幾十千赫茲由于是將一個(gè)陶瓷片的面電極分割成兩對(duì)電極，因此使其產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的激勵(lì)方式有兩種：tiii、圓片厚度彎曲振動(dòng)模式

若將兩個(gè)圓片徑向振動(dòng)模式的片子粘結(jié)在一起，并用長(zhǎng)條片一樣的方式極化和激勵(lì)，就得到圓片厚度彎曲振動(dòng)。這種彎曲振動(dòng)的諧振頻率為為與波數(shù)有關(guān)的因子；y為陶瓷的楊式模量；為陶瓷材料的泊松比；為陶瓷的密度；為頻率常熟；r為圓片半徑；D為圓片直徑；t為圓片的總厚度。相對(duì)帶寬：約為0.8~8%，頻率范圍：2~70kHziv、開槽環(huán)張閉振動(dòng)模式為無(wú)應(yīng)力時(shí)的直徑,W為振子寬度。實(shí)際上這也是一種彎曲振動(dòng)模式。這種振動(dòng)模式的諧振頻率為U型振子S型振子激勵(lì)方法改變振子的直徑和寬度，即可調(diào)整頻率。w對(duì)U型振子，2,4端接地，1,3端作為輸入，輸出時(shí)衰耗峰在高頻段，反之在低頻段。利用不同相位的振子級(jí)聯(lián)，可得到衰耗極對(duì)稱的優(yōu)良濾波器。厚度切變振動(dòng)模式特點(diǎn)：電極面與極化方向平行。在交變電場(chǎng)作用下，陶瓷片產(chǎn)生厚度切變振動(dòng)。

這種振動(dòng)就是壓電體上平行于極化方向的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生沿長(zhǎng)度和厚度方向的相對(duì)滑動(dòng)形變。其質(zhì)點(diǎn)位移沿長(zhǎng)度和厚度方向，而波則沿厚度方向傳播。厚度切變振動(dòng)模式的諧振頻率為頻率常數(shù)；t為厚度；n為正奇整數(shù)1，3，5能陷振動(dòng)模式當(dāng)陶瓷片的電極面積相對(duì)于陶瓷片的面積很小時(shí)，適當(dāng)?shù)碾姌O面積及其金屬質(zhì)量負(fù)荷就可以產(chǎn)生所謂的能陷現(xiàn)象。

能陷發(fā)生以后，激發(fā)能量被局限在點(diǎn)電極之下，并向四周成指數(shù)衰減。這時(shí)點(diǎn)電極區(qū)域和附近邊緣形成一個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)系統(tǒng)。

能陷振動(dòng)實(shí)際上是一種厚度伸縮振動(dòng)。由于這種振子的電極很小，所以又稱為點(diǎn)振子或點(diǎn)電極振子。這種振子的基波諧振頻率為t為陶瓷片厚度；為頻率常數(shù)；為陶瓷材料的泊松比；為陶瓷密度。y為陶瓷材料的楊式模量；不同振動(dòng)模式下的機(jī)電耦合系數(shù)不同振動(dòng)模式諧振頻率相對(duì)帶寬W%頻率常數(shù)(kHzmm)適用相對(duì)帶寬(%)適用頻段（kHz)長(zhǎng)條厚度彎曲37400.25-3.00.5-20圓片厚度彎曲110000.80-8.02-70長(zhǎng)條寬度彎曲30200.30-1.020-60長(zhǎng)條伸縮17050.50-5.050-150圓片徑向26001.60-15.0100-1000圓片環(huán)電極徑向70500.5-4.01000-3000常用振動(dòng)模式及相關(guān)特性振動(dòng)模式諧振頻率相對(duì)帶寬W%頻率常數(shù)(kHzmm)適用相對(duì)帶寬(%)適用頻段（kHz)園片環(huán)電極二次泛音104000.4-2.03000-6000圓片全電極厚度伸縮21501.4-4.01000-6000厚度切變120015-251000-6000點(diǎn)電極厚度伸縮23504.0-9.03000-30000點(diǎn)電極厚度伸縮三次泛音70500.6-1.06000-60000開槽環(huán)張閉2550.40-3.05-70壓電陶瓷振子不管從機(jī)械的觀點(diǎn)還是從電的觀點(diǎn)來(lái)看都會(huì)發(fā)生諧振，并且有一系列的諧振頻率。低頻端第一次出現(xiàn)的諧振頻率稱為基波頻率（簡(jiǎn)稱基波）以后出現(xiàn)的諧振頻率稱為泛音頻率（簡(jiǎn)稱泛音）壓電振子等效阻抗隨頻率的變化規(guī)律如下：3、壓電陶瓷振子的諧振特性在討論壓電陶瓷振子的諧振特性時(shí)，通常要遇到三對(duì)頻率：諧振頻率反諧振頻率最小阻抗頻率最大阻抗頻率串連諧振頻率并聯(lián)諧振頻率fmfnfm1fn1fm2fn2fZ按等效電路，可得到阻抗為：電抗分量為：其中電阻分量為：C0LCR1）振子的相關(guān)頻率計(jì)算i)等效電路中R=0時(shí)的情況

最小阻抗頻率和最大阻抗頻率即為最小阻抗頻率即為最大阻抗頻率C0LC串連諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率根據(jù)定義：在時(shí)的頻率為串聯(lián)諧振頻率在時(shí)的頻率為并聯(lián)諧振頻率諧振頻率和反諧振頻率

在等效電路中，若等效阻抗為純電阻性，即電抗，則電路會(huì)產(chǎn)生諧振

滿足時(shí)有兩個(gè)頻率：低端的頻率，定義為諧振頻率高端的頻率，定義為反諧振頻率

R=0時(shí)，諧振子的機(jī)械損耗為0，因此在這六個(gè)頻率中，可通過(guò)傳輸線路法直接測(cè)出，而卻無(wú)法直接測(cè)量，可通過(guò)計(jì)算得到等效電路中的L、C、C0可按以下方法確定C0為靜態(tài)電容，可直接用電容電橋測(cè)出其近似值，L、C為動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容，可通過(guò)串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率求得，即：由于振子機(jī)械損耗不為零，因此最大（小）阻抗頻率、串（并）聯(lián)諧振頻率及諧振（反諧振）頻率都不相等，有關(guān)系：

估計(jì)一下各頻率之間的偏差：偏差較小一般壓電陶瓷的其偏差將更小2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm

根據(jù)有機(jī)械損耗無(wú)介質(zhì)損耗壓電振子等效電路，可求機(jī)械品質(zhì)因數(shù)QmC0LCR

圖中RLC串聯(lián)支路為機(jī)械諧振電路的類比電路，機(jī)械能貯存在等效電路的LC中，消耗在等效電路的R上。定義:機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是指諧振時(shí)壓電振子內(nèi)貯存的電能Ee與諧振時(shí)每個(gè)周期內(nèi)振子消耗的機(jī)械能Em之比，即：設(shè)流過(guò)RLC串聯(lián)支路的電流為I，電容C上的電壓為Uc，Uc落后于I，相差為π/2，有串聯(lián)諧振時(shí)，電容和電感上貯存的能量為：又因?yàn)槭窃诖?lián)條件下，所以：于是有：電阻上消耗的能量為：已知RLC串聯(lián)支路與C0關(guān)聯(lián)，并聯(lián)諧振的角頻率以表示，則有：對(duì)于窄帶振子，3）振子的等效阻抗根據(jù)有機(jī)械損耗無(wú)介質(zhì)損耗壓電振子等效電路，可求振子的等效阻抗。前面推出：C0LCR可推出：

由此可求出陶瓷振子在諧振頻率和反諧振頻率附近的阻抗。0frfaf

時(shí)的阻抗為可得：振子的諧振曲線為令時(shí)的阻抗為六、壓電陶瓷變壓器傳統(tǒng)電磁變壓器是由鐵芯及圍繞鐵芯的線圈組成，初級(jí)和次級(jí)線圈通過(guò)磁芯實(shí)現(xiàn)電磁耦合。存在的問(wèn)題：1）導(dǎo)體趨膚效應(yīng)損失、細(xì)導(dǎo)線的傳導(dǎo)損失以及磁性材料中的弛豫損耗會(huì)隨著變壓器的尺寸減小而迅速增大，很難實(shí)現(xiàn)高效小型化,已成為電子器件小型化的最大障礙之一。2）電磁變壓器固有的漏磁現(xiàn)象及電磁輻射等對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定污染。

壓電陶瓷變壓器基本上是由兩個(gè)機(jī)械部分相互耦合而電路部分相互絕緣的壓電陶瓷共振器(或壓電陶瓷換能器)組成。是一種新型的電壓或電流變換器件，工作原理與傳統(tǒng)電磁變壓器不同，在壓電陶瓷變壓器中，初級(jí)與次級(jí)之間的耦合不是通過(guò)傳統(tǒng)的電磁效應(yīng)，而是借助于機(jī)械耦合以及壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(1)壓電陶瓷變壓器的種類

壓電陶瓷變壓器實(shí)際是一種壓電陶瓷振子，前面已介紹壓電振子的振動(dòng)模式分為伸縮振動(dòng)彎曲振動(dòng)剪切振動(dòng)

壓電陶瓷變壓器可以其中任一種振動(dòng)形式進(jìn)行工作，因此壓電陶瓷變壓器的種類很多，常見的基本結(jié)構(gòu)類型有：長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式壓電陶瓷變壓器（Rosen型）由一個(gè)產(chǎn)生橫向振動(dòng)模式的壓電陶瓷薄長(zhǎng)條和一個(gè)縱向振動(dòng)模式的壓電陶瓷細(xì)長(zhǎng)條組成,其幾何示意圖如下：徑向振動(dòng)模式壓電陶瓷變壓器

由兩片或多片厚度方向極化的壓電陶瓷圓片組成，徑向模式壓電陶瓷變壓器的振動(dòng)方向沿著圓片的半徑方向.工作于三階振動(dòng)模式的Rosen型壓電變壓器變壓器的輸入端是由兩塊材料及尺寸完全相同的橫向振動(dòng)模式的壓電陶瓷細(xì)長(zhǎng)條組成,輸出端位于兩塊輸入壓電陶瓷中間,輸出電極位于變壓器幾何中心

大功率多層壓電陶瓷變壓器

為了實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷變壓器的小型化及大功率采用大功率壓電陶瓷材料大功率多層壓電陶瓷變壓器單一極化方向圓板型壓電陶瓷變壓器，可提高壓電陶瓷變壓器的功率容量。圓板型單一極化方向壓電陶瓷變壓器

(2)壓電陶瓷變壓器的工作原理左半部分上下兩面敷設(shè)銀電極，沿厚度方向進(jìn)行極化。當(dāng)加上交變電場(chǎng)時(shí)，瓷片產(chǎn)生振動(dòng)，這一部分為驅(qū)動(dòng)部分。右半部分的端面敷設(shè)銀電極，并沿長(zhǎng)度方向極化，這部分將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，稱為發(fā)電部分。rosen型壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)利用壓電陶瓷的電能→機(jī)械能→電能的二次變換，在諧振頻率上獲得最高升壓輸出。工作原理：當(dāng)把一定頻率的交變電場(chǎng)加在驅(qū)動(dòng)部分時(shí)，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械形變，由此引起機(jī)械諧振，并沿瓷片的長(zhǎng)度方向傳播（沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)）。這種機(jī)械諧振，又通過(guò)正壓電效應(yīng)，使瓷片的發(fā)電部分端面聚集大量束縛電荷，而產(chǎn)生輸出電壓。由于陶瓷片長(zhǎng)度大于厚度，輸出電壓大于輸入電壓，在發(fā)電部分可獲得相當(dāng)高的輸出電壓。輸入幾伏到幾十伏電壓，可獲得幾千伏高壓輸出。

壓電陶瓷變壓器必須在諧振狀態(tài)下工作，諧振模式如下：半波諧振模式：片長(zhǎng)等于波長(zhǎng)一半應(yīng)力分布位移分布支持處應(yīng)力分布位移分布支持處全波諧振模式：片長(zhǎng)等于波長(zhǎng)片兩端位移最大中間位移為零片兩端和中間位移最大?處位移為零輸入電壓相同時(shí)，全波比半波諧振頻率高，輸出電壓也高(3)壓電陶瓷變壓器的特性頻率特性——升壓比壓電陶瓷變壓器輸出電壓的高低與輸入電壓頻率有關(guān)，無(wú)論是半波模還是全波模諧振，變壓器的輸出電壓只有在諧振頻率附近才達(dá)到最大值；若偏離諧振頻率，電壓下降幅度就很大半波模全波模與繞線變壓器不同，不能在較寬的頻率范圍內(nèi)工作。輸出——輸入電壓特性

輸出電壓隨輸入電壓的增加而增加，但當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)，輸出電壓便有達(dá)到飽和傾向。原因：壓電陶瓷的非線性會(huì)隨輸入電壓的增大引起材料損耗增大。壓電陶瓷變壓器的輸入輸出特性交流升壓比——負(fù)載特性輸出電壓、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載阻抗的關(guān)系2l=56mm；V1=50V；全波模；2倍壓整流壓電陶瓷變壓器的交流升壓比隨負(fù)載而變化。原因：壓電陶瓷變壓器輸入阻抗較大（約十幾兆歐至幾十兆歐）。

因此，在使用壓電陶瓷變壓器升壓的高電壓源中，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓變化較大，必須采取補(bǔ)償措施。輸出功率、轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載阻抗的關(guān)系由上圖可以看出，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率隨負(fù)載阻抗的變化均有一個(gè)較大值的區(qū)域。壓電陶瓷變壓器進(jìn)行二次機(jī)電能量轉(zhuǎn)換時(shí)，伴隨著各種損耗，諧振時(shí)元件本身的發(fā)熱就是其中之一。由于發(fā)熱，變壓器的效率明顯降低。另外有人研究證明，負(fù)載阻抗的合理匹配與壓電陶瓷變壓器輸出部分整流方式的恰當(dāng)選擇，能有效地控制它的發(fā)熱。不同整流方式的轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載阻抗的關(guān)系－2倍壓整流；－·－·4倍壓整流；–––6倍壓整流輸入阻抗與負(fù)載阻抗的關(guān)系繞線變壓器：輸入阻抗與負(fù)載阻抗是成正比的壓電陶瓷變壓器：當(dāng)負(fù)載阻抗增加時(shí)，輸入阻抗減小這種特性在壓電陶瓷變壓器作為高壓應(yīng)用時(shí)極為重要。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載短路時(shí)變壓器會(huì)自動(dòng)截止而不被燒壞，這是壓電陶瓷變壓器的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。輸入阻抗與負(fù)載阻抗的關(guān)系溫度特性當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化或變壓器本身因機(jī)械和介質(zhì)的損耗而發(fā)熱時(shí)，將會(huì)引起諧振頻率的漂移。因此用固定頻率信號(hào)激勵(lì)時(shí)，諧振頻率的漂移會(huì)引起變壓器輸出電壓的變化，從而影響高壓電源的穩(wěn)定工作。這是設(shè)計(jì)中需要注意的重要問(wèn)題。壓電陶瓷變壓器的諧振頻率和溫度的關(guān)系（4）壓電陶瓷變壓器用的材料具有高的機(jī)電耦合系數(shù)，特別是橫向機(jī)電耦合系數(shù)k31與縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33更高。發(fā)熱損耗會(huì)導(dǎo)致傳輸效率的下降，因此要求材料熱穩(wěn)定性好，表征材料諧振時(shí)損耗大小的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm要適當(dāng)高些。Qm在500—1000范圍內(nèi)較為適當(dāng)。好的頻率穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，保證在變化的環(huán)境和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。既要能避免因?yàn)闄C(jī)械疲勞引起材料壓電常數(shù)變化，又能耐較高的交流電場(chǎng)和有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。壓電陶瓷變壓器與傳統(tǒng)變壓器比較項(xiàng)目線繞變壓器壓電陶瓷變壓器工作原理電磁感應(yīng)壓電效應(yīng)工作頻帶寬窄升壓比高升壓比較難做高輸入阻抗隨負(fù)載阻抗減小而減小隨負(fù)載阻抗減小而增大輸出功率大適用高電壓小電流電壓調(diào)整性好差損耗以熱損耗為主有熱損耗及超聲波輸出損耗可燃性電流過(guò)載易燃不燃外界干擾受電磁干擾不受電磁干擾輸出波形與輸入波形相同正弦波壓電陶瓷變壓器的應(yīng)用目前，壓電陶瓷變壓器已在一系列領(lǐng)域，包括從家用電器到高科技軍工產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。安全系統(tǒng)中的電警棍、防盜網(wǎng)、提款箱、運(yùn)鈔車和保險(xiǎn)柜；電源供應(yīng)系統(tǒng)中的CRT和EL映像管、冷陰極管、霓虹燈管、激光或X光管、高壓靜電噴涂、高壓植絨和雷達(dá)顯示管；點(diǎn)火系統(tǒng)中的高壓脈沖點(diǎn)火等；影印機(jī)、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、靜電發(fā)生器、醫(yī)療器材、空氣清新機(jī)、臭氧消毒柜、軍事和航天設(shè)備等。壓電陶瓷變壓器的發(fā)展方向未來(lái)壓電陶瓷變壓器的發(fā)展趨勢(shì)是具有更高的升壓比、更小的體積和更低的驅(qū)動(dòng)電壓，要求像阻容元件那樣系列化、規(guī)范化、片式小型化。將圍繞以下三個(gè)方面開展工作：1．開發(fā)大功率壓電陶瓷材料：高Qm、K2．研究大功率的結(jié)構(gòu)形式3．驅(qū)動(dòng)、控制電路集成化

七、壓電陶瓷濾波器

濾波器是一種對(duì)信號(hào)頻率有選擇性的電路或器件。要將某一頻率的信號(hào)或某一頻段的信號(hào)從頻率范圍很寬的信號(hào)中分離出來(lái)時(shí)，就需要使用濾波器。例如：在多路通訊中，一條線路上如果有兩對(duì)以上人同時(shí)通話而想不發(fā)生干擾，就需要進(jìn)行處理：通常方法是將各人的話音信號(hào)用不同的載波頻率經(jīng)過(guò)同一條線路輸送出去，而在接受端使用濾波器將各人的載波頻率從許多的載波頻率中分離出來(lái)。近年來(lái)移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和光通信以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使通信設(shè)備的密度急劇增加，無(wú)線電頻譜日益擁擠。大量通信設(shè)備同時(shí)工作導(dǎo)致了接收終端的通帶內(nèi)產(chǎn)生大量的干擾和噪聲