压电陶瓷基本知识

LOGO压电陶瓷基本知识压电陶瓷的基本知识发展历史压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的主要性能参数压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的应用市场发展前景与方向压电陶瓷是什么？压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。各种规格的压电陶瓷片晶粒的晶格取向示意图整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。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。压电陶瓷上的高介电常数和铁电性、压电性。后续解决了极化问题。50年代美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用研究。等人发现了锆钛酸铅(PZT)具有非常强和稳定的压电性，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。迄今压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。后来为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未来研究和应用的方向。、自发极化120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转变温度称为居里温度或居里点（Tc）。压电陶瓷的基本概念三个重要概念铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域，那些自发极化方向相同的区域称为电畴（黑色粗线为畴壁）。对于自发极化而言，从宏观统计来看，晶体中存在着各个方向的自发极化，它们相互抵消，宏观上对外不呈现极性。、人工极化人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。、铁电陶瓷某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷.Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的原理：压电效应压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。压电陶瓷的基本概念压电效应的本质－－－－－－＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向＋＋＋＋＋＋Ｅ电场方向＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋逆压电效应示意图正压电效应本质：机械作用引起介质极化。逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。压电陶瓷的基本概念气体喷嘴高压引线压电振子磷铜片压电振子外壳叩击机构正压电效应压电陶瓷点火示意图压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷压电陶瓷的基本概念并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应。将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。石英晶体和压电陶瓷的比较石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。压电陶瓷的主要性能参数压电常数d介电常数ε介质损耗tanδ机电耦合系数Kp机械品质因数Qm频率常数N压电陶瓷的主要性能参数压电常数d压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。其数值的大小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以下关系式：D=dT式中d单位为库仑/牛顿（C/N）这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀为收缩取决于样品的极化方向。S=dE式中，d的单位为米/伏（m/v）。压电陶瓷的主要性能参数对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关系：对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）的材料来说，希望具有大的压电应变常数d。常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：CamdKumdKqmaFCaKuKqCaUaqa结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量m成正比。增加质量：影响被测体振动状态aUKuaqKqaa压电陶瓷的主要性能参数介电常数ε介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。介电常数ε与压电元件的电容C，电极面积A和电极间距离t之间的关系为：ε=C·t/A有时使用相对介电常数，它与绝对介电常数ε之间的关系为=ε/εo式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数，εo=8.85×10-12（F/m），而则无单位，是一个数值。33tε33tε33tε压电陶瓷的主要性能参数介质损耗tanδ电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90°，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于90°，它的余角δ(δ+ψ=90°)称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即：电学品质因数Qe（electricalqualityfactor）电学品质因数的值等于损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/tanδ=ωCR压电陶瓷的主要性能参数机电耦合系数Kp机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K或压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。压电陶瓷的主要性能参数机械品质因数Qm压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数Qm的定义式是：耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ))((222102raramffCCRffQ其中：fr为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）C0为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容压电陶瓷的主要性能参数频率常数N对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即频率常数。N=fr×l其中：fr为压电振子的谐振频率；l为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动Np=fr×DD为圆片的直径薄板厚度伸缩振动Nt=fr×tt为薄板的厚度细长棒K33振动N33=fr×ll为棒的长度薄板切变K15振动N15=fr×ltlt为薄板的厚度压电陶瓷的制造工艺压电陶瓷的制作过程主要步骤老化测试极化上电极配料预处理预烧造粒成型烧成机加工压电陶瓷的制造工艺配料（原料的选择和处理）原料是制备压电陶瓷的基础。对于PZT来说它的主要原料为Pb3O4、ZrO2、TiO2。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。(1)原料的纯度对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原料，其中有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度降低，温区增宽。但过低纯度原料杂质较多，不宜采用。压电陶瓷的制造工艺配料（原料的选择和处理）(2)杂质的利用1)杂质的类型①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。②有利杂质与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在0.2~0.5%范围内，坏的影响不大，甚至有利。压电陶瓷的制造工艺配料（原料的选择和处理）2)掺杂的改性在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求纯度均在98%以上。为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添