壓電陶瓷課件

1、壓電陶瓷 目錄（contents）01壓電陶瓷的原理及應(yīng)用02壓電陶瓷的制作工藝03壓電陶瓷的性能參數(shù)04壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院壓電陶瓷是一種將機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷壓電陶瓷點火器壓電陶瓷加濕器壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院壓電陶瓷因受力形變而產(chǎn)生電的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。壓電陶瓷因加電壓而產(chǎn)生形變的效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院 某些材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化。而且其自發(fā)極化可以因外電場的作用而轉(zhuǎn)向，材料的這種特性稱為鐵電性。壓電陶瓷材料都是鐵電材料。壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院鈦酸鋇晶體自發(fā)

2、極化產(chǎn)生示意圖 四方相立方相由圖可知，立方相時，正負電荷中心重合，不出現(xiàn)電極化；四方相時，因Ti4+沿C軸上移，O2-沿C軸下移，正負電荷中心不重合，出現(xiàn)了平行于C軸的電極化。壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院這種電極化不是由外電場產(chǎn)生，而是由晶體自身產(chǎn)生的，所以成為自發(fā)極化，其相變溫度TC稱為居里溫度。晶體中存在著自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，那些自發(fā)極化方向相同的區(qū)域稱為電疇（黑色粗線為疇壁）。對于自發(fā)極化而言，從宏觀統(tǒng)計來看，晶體中存在著各個方向的自發(fā)極化，它們相互抵消，宏觀上對外不呈現(xiàn)極性。壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，上至宇宙開發(fā)，下至家庭生活 。大致可歸

3、納為以下四方面：（1）能量轉(zhuǎn)換 （2）傳感器（3）驅(qū)動（4）頻率控制壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院（1）能量轉(zhuǎn)換： 壓電陶瓷可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，故可用于制造壓電打火機、炮彈引爆裝置等。用壓電陶瓷也可以把電能轉(zhuǎn)換為超聲振動，用于探尋水下魚群，對金屬進行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。 這是因為彈頭上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時的強大機械力轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g高電壓，爆發(fā)火花而引爆炸藥。壓電陶瓷的原理及應(yīng)用）深大材料學(xué)院（2）傳感器用壓電陶瓷制成的傳感器可用來檢測微弱的機械振動并將其轉(zhuǎn)換為電信號，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙感遙測、環(huán)境保護、家用電器等。壓電陶瓷就是制造聲納的材料，它發(fā)出超聲波，

4、遇到潛艇便反射回來，被接收后經(jīng)過處理，就可測出敵潛艇的方位、距離等。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院壓電陶瓷的制作過程主要步驟 極化測試上電極配料混合球磨造粒成型排膠燒成壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院配料（原料的選擇和處理） 原料是制備壓電陶瓷的基礎(chǔ)。選擇原料一般應(yīng)注意其化學(xué)組成和物理狀態(tài)。 (1) 純度 對純度的要求應(yīng)適度。高純原料，價格昂貴，燒結(jié)溫度高，溫區(qū)窄。純度稍低的原料，有的雜質(zhì)可起礦化和助熔的作用，反而使燒結(jié)溫度較低，且溫區(qū)較寬。過低純度原料雜質(zhì)多，不宜采用。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院 (2) 雜質(zhì)含量 雜質(zhì)允許量主要根據(jù)以下三點因素決定： 1) 雜質(zhì)類型 有害雜質(zhì) 對材料

5、絕緣、介電性等影響極大的雜質(zhì)，特別是異價離子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。 有利雜質(zhì) 與材料A、B位離子電價相同、半徑接近，能形成置換固溶的雜質(zhì)。如Ca2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等離子，一般在0.20.5%范圍內(nèi)，壞的影響不大，甚至有利。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院 2) 材料類型 接收型壓電陶瓷材料 已引入了降低電導(dǎo)率和老化率的高價施主雜質(zhì)，原料中在0.5%以內(nèi)的雜質(zhì)不足以顯著影響施主雜質(zhì)的既定作用。 發(fā)射型壓電陶瓷材料 要求低機電損耗，因而配料中的雜質(zhì)總量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。對于為了提高其它性能參數(shù)的有意添加物，另當(dāng)別論。壓電陶瓷的制作工藝）

6、深大材料學(xué)院成型 成型就是將瓷料壓制成所需要的形狀規(guī)格的坯體，并為燒結(jié)創(chuàng)造條件。 壓電陶瓷的成型方法主要有三種:軋膜成型、干壓成型和靜水壓成型。除靜水壓成型以外，各種成型方法都需要使用粘合劑。加入粘合劑是為了增加料粉的可塑性，為成型創(chuàng)造條件。成型時加入粘合劑的數(shù)量必須適當(dāng)，加入量太少，成型困難，加入量太多，則將降低產(chǎn)品的致密度，其它性能也會受到影響。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院加壓方式 干壓成型一般分單向加壓和雙向加壓兩種方式。較薄制品可采用單向加壓方式；厚制品宜采用雙向加壓，以使坯體內(nèi)密度較均勻。 干壓成型是將經(jīng)過造粒的瓷料裝入一定形狀的鋼模內(nèi)，借助于模塞，在一定外力下壓制成坯體。壓電陶

7、瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院排塑 粘合劑是一種還原性強的物質(zhì)，壓電瓷料干壓成型主要使用聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PGE）。在成型以后需要升溫將其排出，以避免影響燒結(jié)質(zhì)量，這一工序稱為排塑。為了防止還原作用，排塑時要保證較好的通風(fēng)條件。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院燒結(jié) 燒結(jié)是指經(jīng)過預(yù)燒成型的粉末塊在加熱到足夠高的溫度以后發(fā)生體積收縮、密度提高和強度增加的現(xiàn)象。燒結(jié)的驅(qū)動力：粉末的表面能降低。 影響燒結(jié)質(zhì)量的主要因素有:樣品的成分;燒結(jié)溫度與保溫時間;燒成氣氛(氧化氣氛);燒結(jié)過程中原料的揮發(fā);其他工藝條件如成型壓力和粘結(jié)劑數(shù)量等的影響。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院被電極 所謂被電極就是

8、在陶瓷上設(shè)置一層金屬薄膜?？勺鼋饘俦∧さ牟牧虾芏?，如銀、銅、金、鎳等。在陶瓷上設(shè)置金屬薄膜的方法也有很多，如燒滲銀層、真空蒸鍍、化學(xué)沉銀和化學(xué)沉銅等。電極的作用有兩點:(1)為極化創(chuàng)造條件，因為陶瓷本身為絕緣體，極化時要施加高壓場，如果沒有電極，極化就會不充分。(2)起傳遞電荷的作用。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院 所謂極化就是在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使陶瓷中的鐵電疇在電場作用下，沿電場方向定向排列。壓電陶瓷必須在極化后才能具有壓電性。要使壓電陶瓷得到完善的極化，必須合理選擇極化條件，包括極化電壓、極化溫度，極化時間等。極化壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院極化（條件） (1)極化電場

9、只有在極化電場作用下，電疇才能沿電場方向取向排列，所以它是極化條件中的主要因素。 極化電場大小取決于壓電陶瓷的矯頑場EC。一般為EC的2-3倍。 極化電場還受到擊穿強度Eb限制。Eb因制品存在氣孔、裂紋及成份不均勻而急劇下降。因此，前期工序必須保證制品致密度和均勻性。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院（2）極化溫度 極化溫度與組成有關(guān)。提高溫度可縮短極化時間，提高極化效率。但較高溫度下常遇到制品電阻率太小，電壓加不上。這與配方有關(guān)，還與致密度、電阻率低有關(guān)。對僅與配方有關(guān)的制品，只有降低極化電場和延長極化時間。壓電陶瓷的制作工藝）深大材料學(xué)院(3)極化時間 極化時間是指陶瓷制品從一個平衡態(tài)轉(zhuǎn)變到

10、另一個平衡態(tài)所需要的保溫保壓時間。時間長，電疇轉(zhuǎn)向排列充分，并有利于極化過程中應(yīng)力的弛豫。 極化時間對不同材料是不同的。對于同一種材料，極化時間與極化電場、極化溫度有關(guān)。電場強、溫度高，則所需極化時間短；反之，所需極化時間就長。壓電陶瓷的性能參數(shù)） 介電常數(shù)（電容率） 介電常數(shù)與元件的電容C，電極面積S和電極間距離d之間的關(guān)系為 =Cd/S 式中C電容器電容；S電容器極板面積；d電容器電極間距 當(dāng)電容器極板距離和面積一定時，介電常數(shù)越大，電容C也就越大，即電容器所存儲電量就越多。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。因為大，C就相應(yīng)大，電容器充放電時間長，頻率就相應(yīng)低。例如，壓

11、電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。 壓電陶瓷的性能參數(shù)）深大材料學(xué)院壓電系數(shù)d 壓電陶瓷具有壓電性，即施加應(yīng)力時能產(chǎn)生額外的電荷。用介質(zhì)電位移P（單位面積的電荷）和應(yīng)力F（單位面積所受的力）表示如下：d=P/F式中，d的單位為庫侖/牛頓（C/N）這正是正壓電效應(yīng)。還有一個逆壓電效應(yīng)，既施加電場E時成比例地產(chǎn)生應(yīng)變S，其所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)榕蛎浕驗槭湛s取決于樣品的極化方向。 d*=S/E式中，d的單位為米/伏（m/v）。壓電陶瓷的性能參數(shù)）321A3A2A1 對于1，2和3方向，只有3方向的極化狀態(tài)發(fā)生變化，只在3方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)。d33=P

12、3/F336壓電陶瓷的性能參數(shù)）深大材料學(xué)院居里溫度 壓電材料與磁性材料一樣，其壓電效應(yīng)與溫度有關(guān)。它只能在一定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生，超過一定溫度，壓電效應(yīng)就會消失。使壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用Tc表示機電耦合系數(shù)k 機電耦合系數(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械能與電能之間的耦合效應(yīng)。機電耦合系數(shù)可定義為壓電陶瓷的性能參數(shù)）深大材料學(xué)院機械品質(zhì)因素Qm機械品質(zhì)因數(shù)也是衡量壓電陶瓷的一個重要參數(shù)。它表示在振動轉(zhuǎn)換時材料內(nèi)部能量消耗的程度。機械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。產(chǎn)生損耗的原因在于內(nèi)摩擦。不同的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的Qm值有不同的要求，多數(shù)

13、陶瓷濾波器要求壓電陶瓷的Qm要高，而音響元器件及接收型換能器則要求Qm要低。壓電陶瓷的性能參數(shù)）深大材料學(xué)院頻率常數(shù)N 對特定的陶瓷材料，其壓電振子的諧振頻率和振子方向長度的乘積是一常數(shù)，稱為頻率常數(shù)。由材料的性質(zhì)決定,而與尺寸因素?zé)o關(guān)。 N=fLL越小，f越大壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀）深大材料學(xué)院鈦酸鋇壓電陶瓷(BT) 鈦酸鋇是最先制成并得到廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷，其機電耦合系數(shù)很高，居里溫度點較低，其機電性能在常溫范圍內(nèi)很不穩(wěn)定，并具有很大的老化率。鋯鈦酸鉛壓電壓電陶瓷(PZT) 鋯鈦酸鉛壓電壓電陶瓷的居里點比鈦酸鋇高的多，在較大的溫度范圍內(nèi)性能比較穩(wěn)定，作為換能材料，它的壓電效應(yīng)顯著。且可以通過變更其化學(xué)組成大幅度調(diào)整其化學(xué)性能。鈮酸鉀鈉壓電陶瓷(KNN) 具有非常低的介電常數(shù)、較高的頻率常數(shù)和較高的機電耦合系數(shù)，因而適合切變模式特別是高頻（10100MHz）下的換能器。壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀）深大材料學(xué)院 PZT壓電陶瓷：在相圖上我們很容易看到在室溫下，在富鋯區(qū)標(biāo)記為R相,也就是三方相；而在富鈦區(qū)標(biāo)記為T相，也就是四方相；那么R相和T相必將有一