陶瓷新秀——鐵電陶瓷與壓電陶瓷

2020-12-16 百家號

陶瓷在人們的印象中總是與杯壺碗碟之類的日用器皿聯繫在起,其實隨著科學技術的發達,它已成為發展工農業生產和現代新技術不可缺少的重要材料。連兒童玩具裡也用上了陶瓷元件。在古老的陶瓷大家族裡增添了不少新成員,鐵電陶瓷和壓電陶瓷就是這大家族裡的後起之秀。

鐵電陶瓷和壓電陶瓷乍聽起來,頗有點古怪,它們到底是什麼樣的陶瓷呢?要說清楚這個問題,還得追溯到一百年前,那時居裡弟兄倆發現了一個奇怪的現象。他們在天然的水晶晶片上,沿一定的方向施加壓力後,它的相應的兩個面上就會帶電,這樣就把機械能轉變成了電能;相反給晶片上外加電場的作用,晶片就會產生相應的形變而引起振動,也就是說把電能轉變成了機械能。

這種機械能和電能相互轉換的現象叫做壓電效應。具有這種效應的晶體叫做壓電晶體壓電晶體為什麼會具有壓電特性呢?我們以水晶晶體為例,為了更清楚地說明,我們假定此時正電荷中心與負電荷中心重合,整個晶體的總電矩等於零,晶體表面不帶電當晶體在某一方向受力時,它就產生形變而使正負電荷中心不重合,即電矩發生了變化,晶體兩端表面就帶電了,這種正負電荷中心不重合現象叫做極化。

後來人們又發現有少數壓電晶體由於本身內部的特殊結構,即使在沒有外加電場的情況下,本身已經是極化了的,這些極化稱為自發極化,而且當給這種晶體施加電場時,自發極化就會沿電場方向取向,如果電場反向,自發極化就會跟著反向,如果電場去除,自發極化基本上沿著原來的電場方向。我們可以把它的極化情況與外加電場來作圖,在物理學上凡出現迴線特性的物質都「姓」鐵,例如鐵磁體、鐵彈體,這裡極化與外加電場間出現迴線的晶體,人們就稱它為鐵電晶體。

陶瓷表面看上去硬得像鐵板一塊,可是把它切成很薄很薄的片子,放在顯微鏡下觀察時,它就原形畢露。實際上它含有數不盡的微小晶粒,晶粒的周圍還有玻璃狀物質和氣孔,如果這些微小晶粒都是鐵電晶體的話,則由它們組成的陶瓷就是鐵電陶瓷,所以鐵電陶瓷未必含有鐵。如果把這鐵電陶瓷片的兩個面上做上電極,通上強的直流電後,這數不盡的小晶粒就能在電場的「指揮」下比較規整地排列起來,從而使陶瓷具有壓電性,成為壓電陶瓷,使小晶粒按一定方向比較整齊排列的過程叫做極化,顯然把原料按一定比例配好混勻,經過成型高溫燒結製成鐵電陶瓷後,還要經過極化這道工序才能得到壓電陶瓷。

從本世紀四十年代人們首先製造出鈦酸鋇鐵電壓電陶瓷以來,由於陶瓷材料科學家們的努力,許多新型的鐵電壓電陶瓷相繼問世,如鋯鈦酸鉛陶瓷、鈮酸鹽陶瓷等。與鐵電壓電晶體材料相比。這些陶瓷具有製備容易,它的化學成分可作較大幅度的改變。能做成任意形狀的製品等優點,所以鐵電壓電陶瓷的用途是極其廣泛的。

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