压电陶瓷

目录（contents）01压电陶瓷的原理及应用02压电陶瓷的制作工艺03压电陶瓷的性能参数04压电陶瓷的研究现状压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院压电陶瓷是一种将机械能与电能相互转换的功能陶瓷压电陶瓷点火器压电陶瓷加湿器压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。正压电效应逆压电效应压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院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。压电陶瓷材料都是铁电材料。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院钛酸钡晶体自发极化产生示意图四方相立方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因Ti4+沿C轴上移，O2-沿C轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于C轴的电极化。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。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。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院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。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院压电陶瓷的应用范围非常广泛，上至宇宙开发，下至家庭生活。大致可归纳为以下四方面：（1）能量转换（2）传感器（3）驱动（4）频率控制压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院（1）能量转换：压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造压电打火机、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗等。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院（2）传感器用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。压电陶瓷的原理及应用）（3）驱动世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径1mm，可作为人造心脏的驱动器。原理：当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表面就会产生超声振动。由于定子和转子之间的摩擦力的作用，转子也会跟着运动起来。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院（4）频率控制：振荡器，滤波器压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应：在同样的电压作用下，只有在共振频率时通过压电陶瓷的电流最大，振子阻抗最小，压电振子对最小阻抗频率附近的信号衰减很小，从而起到滤波作用。压电陶瓷的原理及应用）深大材料学院压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院压电陶瓷的制作过程主要步骤极化测试上电极配料混合球磨造粒成型排胶烧成压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院配料（原料的选择和处理）原料是制备压电陶瓷的基础。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。(1)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，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不宜采用。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院(2)杂质含量杂质允许量主要根据以下三点因素决定：1)杂质类型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，愈少愈好。②有利杂质与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca2+、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。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院2)材料类型①接收型压电陶瓷材料已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在0.5%以内的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。②发射型压电陶瓷材料要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院3)原料在配方中的比例在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和10%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。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯度均在97%以上，特殊要求例外。常用的原料处理方法有:水洗去掉可溶于水的杂质;锻烧使挥发性杂质挥发掉;粉碎保证原料颗粒细小;烘干排除水份。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院混合、球磨球磨是机械法制备粉末的基本方法。有二个作用：一是将粉末进一步磨细，二是将二种以上不同的粉末充分混合均匀。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院造粒造粒是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的较粗颗粒。造粒的作用因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体积大，从而流动性差、装填密度和压实密度不高。所以造粒的作用就在于均匀瓷粉中的粘合剂、增加其颗粒度、比重和流动性，使成型坯体致密度提高。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院成型成型就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。压电陶瓷的成型方法主要有三种:轧膜成型、干压成型和静水压成型。除静水压成型以外，各种成型方法都需要使用粘合剂。加入粘合剂是为了增加料粉的可塑性，为成型创造条件。成型时加入粘合剂的数量必须适当，加入量太少，成型困难，加入量太多，则将降低产品的致密度，其它性能也会受到影响。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院加压方式干压成型一般分单向加压和双向加压两种方式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院排塑粘合剂是一种还原性强的物质，压电瓷料干压成型主要使用聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PGE）。在成型以后需要升温将其排出，以避免影响烧结质量，这一工序称为排塑。为了防止还原作用，排塑时要保证较好的通风条件。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院烧结烧结是指经过预烧成型的粉末块在加热到足够高的温度以后发生体积收缩、密度提高和强度增加的现象。烧结的驱动力：粉末的表面能降低。影响烧结质量的主要因素有:样品的成分;烧结温度与保温时间;烧成气氛(氧化气氛);烧结过程中原料的挥发;其他工艺条件如成型压力和粘结剂数量等的影响。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院被电极所谓被电极就是在陶瓷上设置一层金属薄膜。可做金属薄膜的材料很多，如银、铜、金、镍等。在陶瓷上设置金属薄膜的方法也有很多，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等。电极的作用有两点:(1)为极化创造条件，因为陶瓷本身为绝缘体，极化时要施加高压场，如果没有电极，极化就会不充分。(2)起传递电荷的作用。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院所谓极化就是在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的铁电畴在电场作用下，沿电场方向定向排列。压电陶瓷必须在极化后才能具有压电性。要使压电陶瓷得到完善的极化，必须合理选择极化条件，包括极化电压、极化温度，极化时间等。极化压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院极化（条件）(1)极化电场只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。极化电场大小取决于压电陶瓷的矫顽场EC。一般为EC的2-3倍。极化电场还受到击穿强度Eb限制。Eb因制品存在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。因此，前期工序必须保证制品致密度和均匀性。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院（2）极化温度极化温度与组成有关。提高温度可缩短极化时间，提高极化效率。但较高温度下常遇到制品电阻率太小，电压加不上。这与配方有关，还与致密度、电阻率低有关。对仅与配方有关的制品，只有降低极化电场和延长极化时间。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院(3)极化时间极化时间是指陶瓷制品从一个平衡态转变到另一个平衡态所需要的保温保压时间。时间长，电畴转向排列充分，并有利于极化过程中应力的弛豫。极化时间对不同材料是不同的。对于同一种材料，极化时间与极化电场、极化温度有关。电场强、温度高，则所需极化时间短；反之，所需极化时间就长。压电陶瓷的制作工艺）深大材料学院极化（条件）综合考虑，确定极化条件应以兼顾发挥压电性能，提高成品率和节省时间为原则。不同成分材料，应通过实验，优化出最佳极化条件。实用中通过压电性能来判定极化效果。目前PZT系压电陶瓷研发与生产中，其极化条件一般选为：极化电场1.5-5kV/mm极化温度100-180℃极化时间10-60min压电陶瓷的性能参数）深大材料学院压电陶瓷的主要参数介电常数ε压电系数d机电耦合系数k机械品质因素Qm频率系数N压电陶瓷的性能参数）介电常数ε（电容率）介电常数ε与元件的电容C，电极面积S和电极间距离d之间的关系为ε=C·d/S式中C——电容器电容；S——电容器极板面积；d——电容器电极间距当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C也就越大，即电容器所存储电量就越多。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。因为ε大，C就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。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。压电陶瓷的性能参数）深大材料学院压电系数d压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷。用介质电位移P（单位面积的电荷）和应力F（单位面积所受的力）表示如下：d=P/F式中，d的单位为库仑/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或为收缩取决于样品的极化方向。d*=S/E式中，d的单位为米/伏（m/v）。压电陶瓷的性能参数）36321A3A2A1对于1，2和3方向，只有3方向的极化状态发生变化，只在3方向上产生压电效应。d33=P3/F3压电陶瓷的性能参数）深大材料学院居里温度压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用Tc表示机电耦合系数k机电耦合系数K是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为输入的电能电能转变所得的机械能2K输入的机械能机械能转变所得电能2K压电陶瓷的性能参数）深大材料学院机械品质因素Qm机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩擦。不同的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的Qm值有不同的要求，多数陶瓷滤波器要求压电陶瓷的Qm要高，而音响元器件及接收型换能器则要求Qm要低。压电陶瓷的性能参数）深大材料学院频率常数N对特定的陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子方向长度的乘积是一常数，称为频率常数。由材料的性质决定,而与尺寸因素无关。N=fLL越小，f越大压电陶瓷的研究现状）深大材料学院钛酸钡压电陶瓷(BT)