钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备及改性研究(2)
1.1 压电材料概述
1.1.1 压电效应
压电效应是在材料中出现的机械能与电能互相转变的现象，包括正压电效应及逆压电效应。1880年，P.Curie和J.Curie兄弟发现电气石具有压电效应[1]。1881年，他们通过实验证明了逆压电效应，并得出了正逆压电常数[2]。
当某些无对称中心的晶体被施与物理压力时，晶体内部的电偶极矩会由于受到压缩而缩短，晶体内部发生极化，此时压电材料为了抵抗这种变化，会在晶体的表面上产生等量异号的电荷。一旦作用力撤除，电荷即消失。这种由机械能转变为电能的效应称为“正压电效应”。如图1.1所示，晶体不受机械力作用和受到不同方向的机械力作用时，晶体的两端面会出现不同极性的电荷。
当将外电场作用于压电材料的表面时，受到电场的影响，晶体内部的电偶极矩会变长，压电材料为了阻止该过程的进行，晶体内部正负电荷中心会发生改变，正负电荷中心发生偏离，从而导致晶体发生机械变形。这种对材料作用以外加电场从而使晶体产生变形的现象称为“逆压电效应”。图1.2反映了晶体不受外部电场作用和受到不同方向的外电场作用时，晶体的两端面会出现应力。
到了1894年，福克特（W.Voigt）通过进一步研究发现，如果一个晶体具有对称中心，那么无论怎样对该晶体施加外力，晶体内部的正负电荷中心始终处于同一个位置不发生改变，也就是说，晶体内部没有不会出现极化，晶体没有产生压电效应。但是当一个晶体没有对称中心时，一旦材料表面被施加以外力，材料会出现机械变形，除了某些晶体压电常数为零，其他的都会产生压电效应。因此压电效应的一个重要标准就是晶体构造中必然不能有对称中心。
图1.1 正压电效应示意图
图1.2 逆压电效应示意图
1.1.2 压电材料的发展
压电材料目前受到各国的大量研究和应用，在现代电子工业中扮演着重要的角色。压电材料主要应用于换能器、压电变压器、压力传感器、压电陶瓷等领域。
自1880年压电效应被发现之后，由于当时人们普遍偏向于晶体的物理现象方面的研究，在最初的一段时间里，压电效应并没有受到人们的广泛重视，一直到一战的时候，压电材料仍没有进入实用化的进程。在一战和二战爆发后，由于受到了战争等的影响，压电材料开始得以受到人们的关注并开始被研究以进行应用。1917年，法国科学家朗之万（P.Langevin）用压电石英晶体成功制成能够在水下使用的换能器，并通过回波发探测水下的潜艇，沉船以及海底，开创了压电材料应用的新篇章。1921年，瓦拉塞克（J.Valasek）通过大量实验，发现水溶性酒石酸钾纳具有明显的压电效应，并在实验中首次发现了铁电性。在1941-1949年期间，苏联、美国和日本等国的科研人员发现了钛酸钡（BaTiO3）具有铁电性，这是在此期间的一个重要发现，其铁电性受到了各国的广泛关注。二战结束以后，压电材料的发展进入高速阶段，不断出现新的成果。1947年，美国学者S.Roberts利用高压条件对BaTiO3陶瓷施以电极化，结果得到了具有压电性能优秀的压电陶瓷，具有空前的历史意义[3]。BaTiO3的出现促进了诸如LiNbO3、LiTaO3、KNbO3等多种不同的压电材料的问世，压电材料的发展与应用出现了飞跃性的进步。到了20世纪50年代，贾菲（B.Jaffe）等人经过研究得知，锆钛酸铅（PZT）陶瓷的压电性能与之前研究获得的陶瓷相比更加优秀。凭借这种优势，PZT陶瓷作为最主要的压电材料被各国大量应用，这一优势一直持续多年。到了1965年，日本以钙钛矿型压电陶瓷为基础，研制出了Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PZT这样的三元系压电陶瓷（PCM），该三元系陶瓷压电性能十分优秀，使其能被广泛使用乃至到一些高科技领域上。但是，由于铅易挥发，在工业生产中很容易造成环境污染，因此，为了保护环境以及人类健康的需求，各国开始致力于开发无铅压电陶瓷，与此同时也相继通过立法减少铅等有毒物质的使用，减少危害。