压电陶瓷发展与应用历史

1880年,居里兄弟首先发现电气石的压电效应,从此开始了压电学的历史。
1881年,居里兄弟实验验证了逆压电效应,给出石英相同的正逆压电常数。1894年,Voigt指出,仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应,石英是压电晶体的一种代表,它被取得应用。第一次世界大战,居里的继承人郎之万,最先利用石英的压电效应,制成了水下超声探测器,用于探测潜水艇,从而揭开了压电应用史篇章。

压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷,1947年,美国Roberts在BaTiO3陶瓷上,施加高压进行极化处理,获得了压电陶瓷的电压性,随后,日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究,这种研究一直进行到50年代中期。

1955年,美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷,促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途,特别是压电陶瓷滤波器和谐振器,随着PZT的问世,而迅速地实用化,应用声表面波(SAW)的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件,在七十年代后期也取得了实用化。

表1示出四种压电材料性能对比

g ε d g k 居里点℃
水晶(石英) 4.5 2.3 53 10 1200
罗息盐 200 165 93 54 40
钛酸钡 1700 190 12 45 120
锆钛酸铅 2100 410 22 65 300

从表1可看到,锆钛酸铅材料是当前性能较好应用最广的材料,通过改性,性能还可进一步改善,能够用于制作各种压电器件。上世纪70年代初期,人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方,如铌镁酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。 近年来,人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料,如Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等,可用来制造滤波器和受话器等。