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5.35.3压电陶瓷和热释电陶瓷压电陶瓷和热释电陶瓷电介质陶瓷中的第大类为电电介质陶瓷中的第三大类即为压电陶瓷它包括压电陶瓷热释电陶陶瓷，它包括压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷三种。5.3.1铁电陶瓷概述铁电陶瓷是具有铁电性的陶瓷材料。具材铁电陶瓷材料中，存在着许多自发极化的偶极子。在一个电畴内，偶极子的取向相同，但不子。在个电畴内，偶极子的取向相同，但不同的电畴，取向则是随机的。在没有外电场作用时，整个晶体不存在宏观偶极矩用时，整个晶体不存在宏观偶极矩。当这种陶瓷置于电场中时，电畴开始沿电场方向转动材料开始极化在施加足够强的电场向转动，材料开始极化。在施加足够强的电场时，那些取向和电场方向一致的畴生长变大，而其他方向的畴收缩变小最后产生净极化强而其他方向的畴收缩变小，最后产生净极化强度。随着电场强度E的增加，极化强度电滞回线随着电场强度E的增加，极化强度P沿着OABC曲线增加。到C点时，电场强度E继续增加，极化强度P加降低5.4不再增加。之后，当E降低，并回到零时，P略有降低，但并不回到零而是剩余一个极化强度PrPr介电零，而是剩余一个极化强度Pr。Pr称剩余极化强度。质陶瓷要使Pr降低到零，必须施加一反向的电场。当反向电场强度达到Ec时，降至零称为矫顽电场继续瓷P降至零。Ec称为矫顽电场。继续增大反向电场强度，又会产生反向极化最后形成如图所示的曲线极化。最后形成如图所示的曲线。这一曲线类似于磁滞回线，而被称铁电陶瓷的极化强度与外加电场的关系这曲线类似于磁滞回线，而被称之为电滞回线。铁电性与铁电材料具有电滞回线是铁电陶瓷的重要特征。由于这类材料的电性能在物理上与铁磁材料的磁性能相似，因材而称为铁电材料。铁电陶瓷在高温下失去自发极化性能，在低温时具有自发极化性能而成为铁电相。此相变温度称为居里温度或居里点。铁电性是指一些电介质晶体在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，而且电位移矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线现象的特性（电极化规律具有复杂的非线性，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性。具有铁电性的电介质称之为铁电体）。电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）PPPPCto120PCto120ABsPrPEoEoEoEoCDrPCDsP度较高时电极温度较低时，电极化强度与温度较高时，电极化强度与电场强度成正比温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成成正比。后于电场强度的变化，形成电滞回线。5.3.2压电效应某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，——机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场它又会产生机械形上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。称为压电材料。压电陶瓷，一种能够将机械能和压电陶瓷，种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电无机非金属材料。这是种具有压电效应的材料。1）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。畴发域有极向电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂分布它们的极化效应被相抵消此原始体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长2015-6-88剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后但是当把电压表接到陶瓷片的两－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷电极但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋荷束缚电荷极化方向陶瓷片内部存在的极化强度。＋＋＋＋＋电极陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图吸附的自由电荷示意图这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来即在陶瓷的一端出现正这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、如图陶片将产压缩形变图中虚线片内的负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象当压力撤消后陶瓷片恢复原状(这是现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大因此电极上又吸附部分自由电荷而极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。－－－－－F－＋＋＋＋＋极化方向（顺压电效应）－－－－－＋＋＋＋＋正压电效应示意图＋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）同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图由于电场的方向与极化强度的方向相同所以电如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大就是说陶瓷片沿极化方向产生电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变这极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象就是逆压电效应电致伸缩效应能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应）。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况－－－－－－＋＋＋＋＋＋极化电场Ｅ（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）－－－－－－极化方向场方向Ｅ2015-6-811＋＋＋＋＋＋533压电陶瓷具有压电效应的材料称为压电材料5.3.3压电陶瓷具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料能实现机—电能量的相互转换。压材料能实现机能的相转换。F极化面Q逆压电效应压电介质机械能｛电能｝正压电效应F压电效应2015-6-812正压电效应―施加压力在压电晶体上，会产生电荷。逆压电效应—施加电压在压电晶体上会产生应变。会产压电陶瓷压电陶①铁电陶瓷体内部的晶粒随机取向，内部的自发极化也是随机取向的整体上表现不出压电效应也是随机取向的，整体上表现不出压电效应。②要使烧结后的铁电陶瓷具有压电性，必须在该陶瓷上施加直流强电场进行人工极化处理施加直流强电场进行人工极化处理。③极化后陶瓷具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。利用这种压电效应，将铁电性陶瓷进的压电效应利用这种压电效应，将铁电性陶瓷进行极化处理，所获得的制品就是压电陶瓷。构成压电陶瓷的晶体必须是铁电体铁电体构成压电陶瓷的晶体必须是铁电体。铁电体从顺电相转变为铁电相时具有自发极化，自发极化方向致的区域称为电畴化方向一致的区域称为电畴。534534压电陶瓷的性能压电陶瓷的性能5.3.45.3.4压电陶瓷的性能压电陶瓷的性能其1.压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号2.压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一3.压电陶瓷频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特范围宽，而且体积小不吸潮寿命长，特别是在多路通信设备中能抗干扰性强压电材料的种类：类别材料成分特性单晶体水晶d11=2.31×10-12C/N，压电系数稳定，固有频石英晶体单晶体、水晶（人造、天然）SiO2压电系数稳定，固有频率稳定承受压力700-1000Kg/cm2g压电陶瓷人造多晶体钛酸钡、PZT钡、铌酸盐系压电系数高d33=190×10-11C/N品种多、性能各异新型压电材料压电半导体压电特性半导体特性集成压电传感器质轻柔软抗拉强度高材料有机高分子压电材料质轻柔软、抗拉强度高、机电耦合系数高石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石2015-6-816英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。BaTiO系与PbTiO系压电陶瓷BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷自从1942~1943年之间，美、日、苏自从19421943年之间，美、日、苏联学者各自独立发现BaTiO3中存在异常的象年发介电现象，1947年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能并制成压电元件BaTiO3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器；二战期间，BaTiO3成功用于水声及电声换能器通讯滤波器上在很长的段声换能器、通讯滤波器上，在很长的一段时间内，BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材2015-6-8173料，但目前其作用范围在不断缩小。对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：①转换性能。要求具有较大压电常数。①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。2015-6-818⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。5.3.5压电陶瓷的一般工艺配料排塑混合磨细工艺烧结成瓷预烧艺流程外形加工二次磨细图被电极造粒高压极化成型老化测试5.3.65.3.6压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用5.3.65.3.6压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用在高压发生装置上的应用压电陶瓷点火器压电陶瓷变压器在电声设备上的应用在电声设备上的应用压电陶瓷扬声器压电陶瓷送受话器压电陶瓷送、受话器压电陶瓷蜂鸣器在水声超声换能设备上的应用在水声、超声换能设备上的应用压电陶瓷滤波器压电陶瓷体波滤波器压电陶瓷体波滤波器压电陶瓷声表面波滤波器压电陶瓷驱动器和微型马达压电陶瓷驱动器和微型马达压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应用领域举例应用领域举例电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源拾声器送话器受话器扬声器蜂鸣器等声信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示发射超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超与接收化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等水声换能器鱼群探测和传声器等压电陶瓷的用途通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器如彩电中频滤压电陶瓷的用途信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波