CERADIR壓電陶瓷課堂「第一回：結構」

為了更加細緻的分享相關材料的詳細內容，CERADIR先進陶瓷知識小課堂於本週開始正式啟動啦！今天我們要一起學習的主題是：壓電陶瓷的結構。

前言

若在一塊具有電極、經過極化處理的壓電陶瓷上方增加一個力，陶瓷片大機率會發生形變，並伴隨電效應（如放電或充電現象）的產生，這種由於形變而產生電效應，稱為正壓電效應。相反，若在陶瓷片的電極上加一個電壓，陶瓷片會產生形變效應，這種由於加電壓而產形變效應，則被稱為逆壓電效應。壓電效應整體上反映了陶瓷的“壓”與“電”之間的線性耦合關係。

圖1。壓電陶瓷霧化片via網路

壓電陶瓷具有的壓電效應由其本身的結構（內部結構）所決定的。詳情內容如下：

01壓電陶瓷屬於多晶體

將一塊壓電陶瓷經過研磨、拋光、腐蝕等工序後，放於顯微鏡下觀察，可以清楚地看出：其整個陶瓷體是由一顆顆的小晶粒無規則地“鑲嵌”而成。由許多小晶粒組成的壓電陶瓷，其每個小晶粒內的原子都是有規則地排列，但晶粒之間的晶格方向則不一定相同，因此從整體來看，仍是混亂、無規則的，這種結構可稱之為多晶體。

圖2。壓電陶瓷晶粒的晶格取向via網路

02晶體的內部結構

晶體結構的共同特點是晶胞的週期性重複排列。不同種類的晶體，其晶胞的大小、形狀和構成晶胞的原子是不同的。如果從晶胞的形狀（即對稱性）來區分，客觀世界成千上萬種晶體可以歸納為32種對稱型別，其中具有壓電性的晶類共有20種。目前運用最廣泛的壓電陶瓷都屬於鈣鈦礦型（CaTiO3） 結構，例如鈦酸鋇（BaTiO3） 、鈦酸鉛（PbTiO3）等。

他們的共同特點是：

①化學分子式的形式相同：都可以寫成ABO3的形式。

②相應的離子在晶胞中排列的位置也是相同的：A離子位於六面體的頂角上，氧離子位於六面體的六個面心，B離子位於六面體的中心。整個晶粒就是由這樣的晶胞重複排列而成的。

實際上，目前生產的壓電陶瓷材料，除了採用單一的化合物（如 BaTiO3陶瓷或者PbTiO3陶瓷）外，還可以採用兩種或兩種以上的ABO3形式（包含但不僅限於ABO3形式）化合物所形成的固溶體。例如，目前應用最廣泛的鋯鈦酸鉛（PZT） ， 就是鋯酸鉛－鈦酸鉛的固溶體。

03晶體結構隨溫度變化的情況

壓電材料的晶體結構並非一成不變，它隨溫度而變化，由量變到質變。對於具有鈣鈦礦型結構的ABO3晶體，如BaTiO3和PbTiO3， 當溫度高於相變溫度時，晶格轉變為立方晶系，無壓電效應。

從一種晶系到另一種晶系的轉變從而導致結構上的質變，物理學上稱這個質變為相變。因為相變前後都是處於固體狀態，且又被稱為“固－固相變”。

Tc稱為相變溼度，對於壓電陶瓷，在Tc以上，無壓電效應；在Tc以下，存在壓電效應，所以，Tc又稱為居里溫度。

不同材料製成的壓電陶瓷（甚至同一種材料含不同雜質時）， 它們的居里溫度不同。當溫度與居里溫度相同時，晶格發生突變，即從一種晶系轉變為另一種晶系。