压电陶瓷之结构

一块有电极、经过极化处理的压电陶瓷，如果在它的上面加一个力，那么陶瓷片就会产生形变，同时还会产生电效应（如放电或充电现象）。相反，如果在陶瓷片的电极上加一个电压，陶瓷片就会产生形变效应。这种由于形变而产生电效应，称为正压电效应；而由于加电压而产形变效应，称为逆压电效应。压电效应反映了陶瓷的“压”与“电”之间的线性耦合关系。压电陶瓷具有压电效应，这是由压电陶瓷本身的结构所决定的，即它的内部结构所决定的。

1. 压电陶瓷的内部结构

（1） 压电陶瓷是多晶体

把一块压电陶瓷经过研磨、抛光、腐蚀后，放在显微镜下观察，便可以清楚地看出，整个陶瓷体是由一颗颗的小晶粒无规则地“镶嵌”而成的。压电陶瓷是由许多小晶粒组成的，每个小晶粒内的原子都是有规则地排列的，但这一晶粒与那一晶粒的晶格方向则不一定相同，因而，从整体来看，仍是混乱、无规则的，这种结构可称之为多晶体。

压电陶瓷晶粒的晶格取向

（2）晶体的内部结构

晶体结构的共同特点是晶胞的周期性重复排列。不同种类的晶体，其晶胞的大小、形状和构成晶胞的原子是不同的。如果从晶胞的形状（即对称性）来区分，客观世界成千上万种晶体可以归纳为32种对称类型，其中具有压电性的晶类共有20种。

目前运用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿型（CaTiO3) 结构，例如钛酸钡（BaTiO3) 、钛酸铅（PbTiO3)等。他们的共同特点是①化学分子式的形式相同，都可以写成ABO3的形式。②相应的离子在晶胞中排列的位置也是相同的，A离子位于六面体的顶角上，氧离子位于六面体的六个面心，B离子位于六面体的中心。整个晶粒就是由这样的晶胞重复排列而成的。

实际上，目前生产的压电陶瓷材料，除了采用单一的化合物（如 BaTiO3,陶瓷或者PbTiO3陶瓷）外，还可采用两种或两种以上的ABO3形式（其中也有一些不是 ABO3 形式）化合物所形成的固溶体。例如，目前应用最广泛的锆钛酸铅（PZT) , 就是锆酸铅－钛酸铅的固溶体。

（3）晶体的结构随温度变化的情况

压电材料的晶体结构不是一成不变的，它将随着温度而变化，由量变到质变。对于具有钙钛矿型结构的ABO3;晶体，如BaTiO3和PbTiO3, 当温度高于相变温度时，晶格为立方晶系，无压电效应。从一种晶系到另一种晶系的转变导致结构上的质变，物理学称这个质变为相变。因为相变前后都是处于固体状态，所以又称为“固－固相变”。

Tc称为相变湿度，对于压电陶瓷，在Tc以上，无压电效应；在Tc以下，存在压电效应，所以，Tc又称为居里温度。

不同材料制成的压电陶瓷（甚至同一种材料含不同杂质时）， 它们的居里温度不同。当温度等于居里温度时，晶格发生突变，即从一种晶系转变为另一种晶系。