陶瓷新秀——铁电陶瓷与压电陶瓷

 

    陶瓷在人们的印象中总是与杯壶碗碟之类的日用器皿联系在起,其实随着科学技术的发达,它已成为发展工农业生产和现代新技术不可缺少的重要材料。连儿童玩具里也用上了陶瓷元件。在古老的陶瓷大家族里增添了不少新成员,铁电陶瓷和压电陶瓷就是这大家族里的后起之秀。

    铁电陶瓷和压电陶瓷乍听起来,颇有点古怪,它们到底是什么样的陶瓷呢?要说清楚这个问题,还得追溯到一百年前,那时居里弟兄俩发现了一个奇怪的现象。他们在天然的水晶晶片上,沿一定的方向施加压力后,它的相应的两个面上就会带电,这样就把机械能转变成了电能;相反给晶片上外加电场的作用,晶片就会产生相应的形变而引起振动,也就是说把电能转变成了机械能。

    这种机械能和电能相互转换的现象叫做压电效应。具有这种效应的晶体叫做压电晶体压电晶体为什么会具有压电特性呢?我们以水晶晶体为例,为了更清楚地说明,我们假定此时正电荷中心与负电荷中心重合,整个晶体的总电矩等于零,晶体表面不带电当晶体在某一方向受力时,它就产生形变而使正负电荷中心不重合,即电矩发生了变化,晶体两端表面就带电了,这种正负电荷中心不重合现象叫做极化。

    后来人们又发现有少数压电晶体由于本身内部的特殊结构,即使在没有外加电场的情况下,本身已经是极化了的,这些极化称为自发极化,而且当给这种晶体施加电场时,自发极化就会沿电场方向取向,如果电场反向,自发极化就会跟着反向,如果电场去除,自发极化基本上沿着原来的电场方向。我们可以把它的极化情况与外加电场来作图,在物理学上凡出现迴线特性的物质都铁,例如铁磁体、铁弹体,这里极化与外加电场间出现迴线的晶体,人们就称它为铁电晶体。

    陶瓷表面看上去硬得像铁板一块,可是把它切成很薄很薄的片子,放在显微镜下观察时,它就原形毕露。实际上它含有数不尽的微小晶粒,晶粒的周围还有玻璃状物质和气孔,如果这些微小晶粒都是铁电晶体的话,则由它们组成的陶瓷就是铁电陶瓷,所以铁电陶瓷未必含有铁。如果把这铁电陶瓷片的两个面上做上电极,通上强的直流电后,这数不尽的小晶粒就能在电场的指挥下比较规整地排列起来,从而使陶瓷具有压电性,成为压电陶瓷,使小晶粒按一定方向比较整齐排列的过程叫做极化,显然把原料按一定比例配好混匀,经过成型高温烧结制成铁电陶瓷后,还要经过极化这道工序才能得到压电陶瓷。

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