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5G材料之压电陶瓷基本知识!

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    发表于 2020-10-16 14:45:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
    来源:微晶电子材料

            
                                压电陶瓷是什么?

            压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。
           



            整体看来,晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同,排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。

            压电陶瓷的基本概况
            自发极化
            120℃以下,BaTiO3晶体结构稍有畸变,为四方结构,Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移,结果导致正负电荷中心不重合,产生了极化(自发极化),通常把这种转变温度称为居里温度或居里点(Tc)。
           

            铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域,那些自发极化方向相同的区域称为电畴(黑色粗线为畴壁)。

            对于自发极化而言,从宏观统计来看,晶体中存在着各个方向的自发极化,它们相互抵消,宏观上对外不呈现极性。

           


            人工极化
            人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场,并保持一定的温度和时间,迫使其电畴转向,或者说迫使其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。

           


            铁电陶瓷
            某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向,材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷。

           
            PS单个电畴的极化强度;
            Pr剩余极化强度;Ec矫顽电场。

            压电效应
            压电效应是指某些介质在力的作用下,产生形变,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。

           


            正压电效应本质
            机械作用引起介质极化。

           

            正压电效应将机械力转换为电能,如点火装置,拾音器等,是机电换能器 。

           
            压电陶瓷点火示意图

            逆压电效应的本质
            电场作用引起介质极化。

           

            逆压电效应主要用于压电蜂鸣器,如音乐贺卡、门铃和扬声器等。

           
            压电蜂鸣器工作示意图

            压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同,未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后,剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷(一端为正,另一端为负),由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷,并使整个压电陶瓷片呈电中性。

           

            并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料,在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体,如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。

            在32种点群的晶体中,只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应。

            将这些原材料在高温下致密烧结,制成陶瓷,并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理,才能成为压电陶瓷。

            常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。
           
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