壓電陶瓷的制備與應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)壓電陶瓷的制備與應(yīng)用【摘要】本文主要概述了國內(nèi)外關(guān)于壓電陶瓷材料的發(fā)展歷史進(jìn)程和研究現(xiàn)狀，提出壓電陶瓷材料的制備方法，探討了其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。指出了現(xiàn)代壓電陶瓷材料正在向著復(fù)合化，薄膜化，無鉛化及納米化方向發(fā)展。該材料應(yīng)用前景廣闊，是一種極有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧稀！娟P(guān)鍵詞】壓電陶瓷 性能參數(shù)制備方法 應(yīng)用壓電陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化鉛、氧化鈦等)高溫?zé)Y(jié)、固相反應(yīng)后而成的多晶體并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換

2、的功能陶瓷材料。壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料,隨著材料及工藝的不斷研究和改良,壓電陶瓷的技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣。壓電材料作為機(jī)、電、聲，光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、無損檢測和通訊技術(shù)等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，世界各國都高度重視壓電陶瓷材料的研究和開發(fā)。1、壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的定義是：Qm=2，他表示在振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)等效電路計(jì)算而得：Qm=,式中R1為等效電阻，Ws為串聯(lián)諧振頻率，C1為振子諧振時(shí)的等效電容。當(dāng)陶瓷片作徑向振動(dòng)時(shí)，可近似地表示為Qm=，式中C0為振子的靜態(tài)電容，單位F

3、；f為振子的諧振頻率fr與反諧振頻率fa之差，單位Hz；Qm為無量綱的物理量。（2）基電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機(jī)械能與電能的耦合效應(yīng)。機(jī)電耦合系數(shù)可定義為K2=（逆壓電效應(yīng)），K2=（正壓電效應(yīng)）沒有量綱。機(jī)電耦合系數(shù)是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的能力反映，它與機(jī)電效率是完全不同的兩個(gè)概念。它與材料的壓電常數(shù)、介電常數(shù)和彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，因此，機(jī)電耦合常數(shù)是一個(gè)比較綜合性的參數(shù)。（3）彈性系數(shù)根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在交變電場作用下，會(huì)產(chǎn)生交變伸長和收縮，從而形成與激勵(lì)電場頻率（信號(hào)頻率）相一致的受迫振動(dòng)。對(duì)于具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶

4、瓷稱為壓電陶瓷振子（簡稱振子）。實(shí)際上，振子諧振時(shí)的形變是很小的，一般可以看作是彈性形變。反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的參數(shù)為彈性系數(shù)。壓電陶瓷材料是一個(gè)彈性體 ，它服從胡克定律：在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。當(dāng)數(shù)值為T的應(yīng)力（單位為Pa）加于壓電陶瓷片上時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變S為S=sT、T=cS式中s為彈性柔順系數(shù)，單位m2N，c為剛性剛度系數(shù)，單位Pa。2、壓電陶瓷的制備過程I、生產(chǎn)中廣泛采用的壓電陶瓷工藝，主要包括以下步驟：配料混合預(yù)燒粉碎成型排膠燒結(jié)被電極極化測試，如圖2所示。 (1)配料、球磨混合原料選用純度高、細(xì)度小和活性大的粉料，根據(jù)配方或分子式選擇所用原料，并按原料

5、純度進(jìn)行修正計(jì)算，然后進(jìn)行原料的稱量。按化學(xué)配比配料以后，使用行星式球磨機(jī)將各種配料混合均勻。實(shí)驗(yàn)室常采用的是水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)球磨方式，震動(dòng)球磨是另一種常用的球磨方法，此外還有氣流粉碎法等混合方法。(2)預(yù)燒、粉碎、成型、排膠和燒結(jié)混合球磨后的原料進(jìn)行預(yù)燒。預(yù)燒是使原料間發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)以生成所需產(chǎn)物的過程，預(yù)燒過程中應(yīng)注意溫度和保溫時(shí)間的選擇。將預(yù)燒反應(yīng)后的材料使用行星式球磨機(jī)粉碎。成型的方法主要有四種；軋膜成型、流延成型、干壓成型和靜水壓成型。軋膜成型適用于薄片元件；流延成型適合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干壓成型適合于塊狀元件；靜水壓成型適合于異形或塊狀元件。除了靜水壓成型外，其他成

6、型方法都需要有粘合劑，粘合劑一般占原料重量的3左右。成型以后需要排膠。粘合劑的作用只是利于成型，但它是一種還原性強(qiáng)的物質(zhì)，成型后應(yīng)將其排出以免影響燒結(jié)質(zhì)量。燒結(jié)是將坯體加熱到足夠高的溫度，使陶瓷坯體發(fā)生體積收縮、密度提高和強(qiáng)度增大的過程。燒結(jié)過程的機(jī)制是組成該物質(zhì)的原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。燒結(jié)的推動(dòng)力是顆?；蛘呔Я５谋砻婺?，燒結(jié)過程主要是表面能降低的過程。晶粒尺寸是借助于原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。(3)被電極、極化、測量燒結(jié)后的樣品要被電極，可選用的電極材料有銀、銅、金鉑等，形成電極層的方法有真空蒸發(fā)、化學(xué)沉積等多種。壓電陶瓷中廣泛采用的是，在燒結(jié)后的樣品涂上銀漿，在空氣中燒制電極。為了防止空氣在高壓下電離、

7、擊穿，極化一般是在硅油中進(jìn)行。為了獲得優(yōu)良的壓電性能，需要選擇合適的電場強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)臉O化溫度。極化樣品放置24小時(shí)后，用壓電常數(shù)測量儀測量d33，用高頻阻抗分析儀(Agilent4294A等)測量介電常數(shù)、介電損耗、諧振頻率等。II濺射法 (sp ut tering)是利用高速運(yùn)動(dòng)的荷能離子把靶材上的原子(或分子) 轟擊下來沉積在基片(加熱或不加熱)上形成薄膜的方法,采用射頻磁控濺射能進(jìn)一步增加電子的行程,加強(qiáng)電離和離子轟擊效果,從而能有效提高濺射效率及薄膜的均勻性。III、脈沖激光沉積(PLD)是80年代后期發(fā)展起來的新型薄膜制備技術(shù)。相對(duì)于其它薄膜制備技術(shù), PLD具有沉積速度快、靶材和薄

8、膜成分一致、生長過程中可原位引入多種氣體、燒蝕物粒子能量高、容易制備多層膜及異質(zhì)結(jié)、工藝簡單、靈活性大、可制備的薄膜種類多、可用激光對(duì)薄膜進(jìn)行多種處理等優(yōu)點(diǎn)IV、sol-gel法是通過將含有一定離子配比的金屬醇鹽和其它有機(jī)或無機(jī)金屬鹽溶于共同的溶液中,通過水解和聚合形成均勻的前驅(qū)體 溶膠,再經(jīng)提拉、旋轉(zhuǎn)涂覆、噴涂或電沉積法等將前驅(qū)體溶膠均勻地涂覆在基片上,然后烘干除去有機(jī)物,最后退火處理得到具有一定晶相結(jié)構(gòu)的無鉛壓電陶瓷薄膜。3、壓電陶瓷的應(yīng)用近年來，隨著宇航、電子、計(jì)算機(jī)、激光、微聲和能源等新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各類材料器件提出了更高的性能要求，壓電陶瓷作為一種新型功能材料，在日常生活中，作為壓電

9、元件廣泛應(yīng)用于傳感器、氣體點(diǎn)火器、報(bào)警器、音響設(shè)備、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通信等裝置中。它的重要應(yīng)用大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類。前者主要利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，要求機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。壓電陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下表所示：應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例電源壓電變壓器雷達(dá)、電視顯像管、陰極射線管、蓋克計(jì)數(shù)管、激光管和電子復(fù)印機(jī)等高壓電源和壓電點(diǎn)火裝置信號(hào)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)信號(hào)源振蕩器、壓電音叉、壓電音片等用作精密儀器中的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換電聲換能器拾聲器、送話器、受話器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器等聲頻范圍的電聲器

10、件超聲換能器超聲切割、焊接、清洗、攪拌、乳化及超聲顯示等頻率高于20Hz的超聲器件發(fā)射與接收超聲換能器探測地質(zhì)構(gòu)造、油井固實(shí)程度、無損探傷和測厚、催化反應(yīng)、超聲衍射、疾病診斷等各種工業(yè)用的超聲器件水聲換能器水下導(dǎo)航定位、通信和探測的聲吶、超聲探測、魚群探測和傳聲器等 信號(hào)處理濾波器通信廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻率波器；雷達(dá)、自控和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用帶通濾波器、脈沖濾波器等放大器聲表面波信號(hào)放大器以及振蕩器、混頻器、衰減器、隔離器等表面波導(dǎo)聲表面波傳輸線4、結(jié)束語壓電陶瓷是一種重要的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、生物等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來，各國都在積極研究和開發(fā)新的壓電功能陶瓷，研究的重點(diǎn)大都是從老材料中發(fā)掘新效應(yīng)，開拓新應(yīng)用；從控制材料組織和結(jié)構(gòu)入手，尋找新的壓電材料。特別值得重視的是隨著材料技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前國際上對(duì)壓電材料的應(yīng)用研究十分活躍，許多新的壓電器件，包括過去認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的器材也被研制出來了。隨著對(duì)材料的組成、制備工藝及結(jié)構(gòu)的不斷深入研究，更加新穎的壓電器件將不斷的映現(xiàn)出來?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1張沛霖，鐘維烈壓電材料與