【精編匯總版】壓電陶瓷及其應(yīng)用合集

1、【精編匯總版】壓電陶瓷及其應(yīng)用合集】8/8【精編匯總版】壓電陶瓷及其應(yīng)用合集應(yīng)電陶禮及其應(yīng)用概述壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，由于它的出產(chǎn)工藝與陶瓷的出產(chǎn)工 藝相似（原料破損、成型、低溫?zé)Y(jié)）因而得名。某些各向異性的晶體，在機(jī)械力作用下，發(fā)作形變，使帶電粒子發(fā)作絕對(duì)位 移，從而在晶體表格模板面泛起正負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。晶體的這種 性質(zhì)稱(chēng)為壓電性。壓電性是J居里和P居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。幾個(gè)月后他 們又用嘗試考證了逆壓電效應(yīng)、即給晶體施加電壓時(shí)，晶體會(huì)發(fā)作多少形變。1940年從前，只知道有兩類(lèi)鐵電體（在某溫度局限內(nèi)不光具有自發(fā)極化，而 且自發(fā)極化強(qiáng)度的發(fā)向能因外場(chǎng)強(qiáng)作用

2、而從頭取向的晶體）：一類(lèi)是羅息鹽和 某些關(guān)系密切的酒石酸鹽；一類(lèi)是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。前者在常溫 下有壓電性，技術(shù)上有使用代價(jià)，但有易溶解的缺點(diǎn)；后者要在低溫（低于一 148 C）下才有壓電性，工程使用代價(jià)不大。1942-1945年間發(fā)現(xiàn)鈦酸領(lǐng)（BaTiO3 ）具有非常高的介電常數(shù)，不久又發(fā)現(xiàn) 它具有壓電性，BaTiO?壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)是壓電材料的一個(gè)飛躍。這從前只有 壓電單晶材料，爾后泛起了壓電多晶材料壓電陶瓷，并得到普及應(yīng)用。1947 年美國(guó)用BaTiO$陶瓷制造留聲機(jī)用拾音器，日本比美國(guó)晚用兩年。BaTiO$存 在壓電性比羅息鹽弱和壓電性隨溫度變卦比石英晶體大的缺點(diǎn)。1954年美國(guó)

3、B賈菲等人發(fā)現(xiàn)了壓電PbZrO? PbTiO?（PZT）固溶體系統(tǒng)，這是 一個(gè)劃期間大事，使在BaTiO?期間不能制作的器件成為概略。爾后又研制出 PLZT透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的應(yīng)用擴(kuò)展到光學(xué)局限。迄今，壓電陶瓷的應(yīng)用，上至宇宙開(kāi)拓，下至家庭生活極其普及。我國(guó)對(duì)壓電陶瓷的研究始于五十年代末期，比國(guó)外晚10年左右，目前在壓電 陶瓷的試制、產(chǎn)業(yè)出產(chǎn)等方面都已有相當(dāng)雄厚氣力，有不少材料已抵達(dá)或靠近 國(guó)際程度。壓電陶瓷壓電性的物理機(jī)制壓電陶瓷是一種多晶體，它的壓電性可由晶體的壓電性來(lái)評(píng)釋?zhuān)w在機(jī)械 力作用下，總的電偶極矩(極化)發(fā)作變卦，從而泛起壓電現(xiàn)象、因此壓電性 與極化，形變等有密切關(guān)系。1

4、.極化的微觀機(jī)理極化狀態(tài)是電場(chǎng)對(duì)電介質(zhì)的荷電質(zhì)點(diǎn)發(fā)作絕對(duì)位移的作用力與電荷間互相吸 引力的暫時(shí)平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機(jī)理次要有三種。(I)電子位移極化一電介質(zhì)的原子或離子在電場(chǎng)力作用下，帶正電原子核 與殼層電子的負(fù)電荷中心泛起不重合。(2 )離子位移極化電介質(zhì)正、負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下發(fā)作絕對(duì)位移，從 而發(fā)作電偶極矩。(3 )取向極化組成電介質(zhì)的有極份子,有肯定的本征(固有)電矩，由 于熱運(yùn)動(dòng)，取向無(wú)序，總電矩為零，當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，電偶極矩沿電場(chǎng)偏向布列， 泛起宏觀電偶極矩。對(duì)于各向異性晶體，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)存在有如下關(guān)系與m , n=l ,2,3式中爲(wèi)為極化率，或用電位移寫(xiě)成：2.壓電效應(yīng)(1)正壓

5、電效應(yīng)壓電晶體在外力作用下發(fā)作形變時(shí)，正、負(fù)電荷中心發(fā)作絕對(duì)位移，在某些 絕對(duì)應(yīng)的面上發(fā)作異號(hào)電荷，泛起極化強(qiáng)度。這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，由形變發(fā)作 極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。對(duì)于各向異性晶體，對(duì)晶體施加應(yīng)力；(相應(yīng)的應(yīng)變以)時(shí)，晶體將T在X,Y,Z三個(gè)偏向泛起與 ，成反比的極化強(qiáng)度，即：與4 =%盧式中 ,，旳分辯稱(chēng)為壓電應(yīng)力常數(shù)與壓電應(yīng)變 常數(shù)。(2)逆壓電效應(yīng)當(dāng)給晶體施加一電場(chǎng)時(shí)，不光發(fā)作了極化，同時(shí)還發(fā)作形變，這種由電場(chǎng)產(chǎn) 生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。這是由于晶體受電場(chǎng)作用時(shí)，在晶體內(nèi)部發(fā)作 了應(yīng)力(壓電應(yīng)力)，通過(guò)應(yīng)力作用發(fā)作壓電應(yīng)變。存在如下關(guān)系凡=冃厶=/紇或 S = dE T = e

6、fE 式中紹和尸分辯為d和e的轉(zhuǎn)量矩。3.壓力效應(yīng)的機(jī)理壓電效應(yīng)起首是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，此刻我們以水晶晶體為模型，剖析產(chǎn) 生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。當(dāng)不施以壓力時(shí)，水晶晶體正、負(fù)電荷中心如圖5-1 (a)分布，設(shè)這時(shí)正、負(fù) 電荷中心重合，整個(gè)晶體的總電矩等于雪，晶體表格模板面不荷電(不呈壓電性)。當(dāng)沿x偏向施加壓力 限時(shí),晶體發(fā)作形變，正、負(fù)電荷中心聚集，即電偶極 發(fā)作變卦，從而在X面上泛起電荷堆集，如圖5-1 ( b )所示。當(dāng)沿Y軸偏向施加壓力 叫時(shí)，晶體形變正、負(fù)電荷中心的分布如圖5-1( c ) 此示這時(shí)總的電偶極距發(fā)作變卦并在X面上引起與前面相反標(biāo)志的電荷堆集。 顯然，用伸拉力代替前面

7、的壓縮力，則表格模板明電荷的標(biāo)志反過(guò)來(lái)?？傊?，對(duì)具有 壓電性的晶體施加壓力時(shí)，概略引起壓電效應(yīng)。三.壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷由于它的壓電性以及由此引起的電機(jī)性能的多樣性得到了普及應(yīng) 用。普通可將這些應(yīng)用分紅兩大類(lèi)，即作為壓電振子使用。作為壓電振子使用 時(shí)要求壓電陶瓷材料有好的頻次溫度平穩(wěn)性及較高的機(jī)械品行因數(shù)Q窟(Q 表格模板示振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)材料內(nèi)部能量消耗的程度)；做為換能器使用時(shí)要求有較高的 機(jī)械藕合系數(shù)=機(jī)械變化成電能,嗡入機(jī)械能，或玄” =電能變化成機(jī)械能，輸入電能）和較大的絕對(duì)介電常數(shù) 號(hào)（邑二/用）下面給出壓電陶瓷的應(yīng)用。I.壓電陶瓷焚燒器這是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而撲滅燃燒物的裝置，

8、是電機(jī)換能器。1958年開(kāi)創(chuàng)操作鈦酸頓（BaTiO3 ）陶瓷的壓電效應(yīng)舉行焚燒，但這種材料著火率 不高，噪音大，1962年起頭試用錯(cuò)鈦酸鉛（PZT ）壓電陶瓷制作焚燒器，這種 焚燒器普及應(yīng)用普通生活、產(chǎn)業(yè)出產(chǎn)以及軍事方面，用以撲滅氣體和各類(lèi)炸藥 和火箭的引燃引爆。（1 ）基本道理焚燒器工作過(guò)程分高壓發(fā)作、放電焚燒和撲滅可燃?xì)怏w三個(gè)階段。高壓發(fā)作以圓柱形壓電陶瓷元件為例，如圖5-2所示。當(dāng)機(jī)械 力F作用于圓柱體時(shí)，晶體發(fā)作畸變，導(dǎo)致晶體中正負(fù)電荷中心偏 移，從而在圓柱體上下表格模板面泛起自由電荷多量積聚，發(fā)作高壓輸出。 輸出電壓為：V = ga3FJt/A式屮A網(wǎng)柱體截面積；h圓柱體高度；?心壓

9、電也壓常數(shù)。放電焚燒一一把壓電陶瓷元件放在一個(gè)閉合同路屮，并留一個(gè)適 當(dāng)間隙，當(dāng)甩壓升高到該間隙的放電電壓時(shí)，間隙中就發(fā)作放電火 花。撲滅可燃?xì)怏w般燃料氣體不易燃燒，所以普通采用易汽化的乙烷。為耽誤放電時(shí)間防止火花過(guò)快熄滅，以提高撲滅率，可在 放電端串入一個(gè)恰當(dāng)電阻。（2）焚燒器布局和工作道理焚燒器品種單一，現(xiàn)以家用壓電焚燒器為例剖析它的布局和匚作原 理。如圖5-3所示的焚燒器，可固定在家丿|J灶具上撲滅煤氣，動(dòng)彈凸輪 開(kāi)關(guān)1,操作凸輪凸出部份拷打打擊塊3,并壓縮打擊塊后的彈簧2。 當(dāng)凸輪凸岀部份脫離打擊塊后。山于彈簧彈力作用，打擊塊給陶瓷 壓電元件4一個(gè)打擊力，便在壓電元件兩端發(fā)作高壓，并從

10、中間電 極5輸出高壓，發(fā)作電火花撲滅氣體。2.壓電變壓器從五十年代就起頭研制壓電變壓器。其時(shí)以鈦酸鋼為次要材料。升壓斗勁低（只有5060倍）。輸岀也壓3000伏左右。隨著錯(cuò)鈦酸 鉛壓電陶瓷材料的記現(xiàn)，升壓比提高到300500倍，逐步推廣應(yīng)用于電視機(jī)、靜電寰即機(jī)、負(fù)離子準(zhǔn)生器中儼為高壓電源.（1）基本道理,輸入壓電瓷片的電振動(dòng)能量通過(guò)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能， 再通過(guò)正壓電效應(yīng)又換成電能。在這兩次能量轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)阻抗變卦（由低阻抗釀成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻次上得到高的電壓 輸出?，F(xiàn)以伸縮振動(dòng)的橫縱向型變壓器為例剖析變壓道理。如圖5-4所示，整個(gè)陶瓷片分紅兩部份，左部為輸入端（又稱(chēng)驅(qū)動(dòng)部份

11、）， 上、下面都有燒滲的銀電極，沿厚度偏向極化，右部為輸出端（又稱(chēng)發(fā)電部份）, 其右端面有燒滲的銀電極。沿長(zhǎng)度偏向極化。當(dāng)輸入端加上交變電壓時(shí),由于 逆壓電效應(yīng)，瓷片發(fā)作沿長(zhǎng)度偏向的伸縮振動(dòng)，將輸入電能變化成機(jī)械能；而 發(fā)電部份則通過(guò)正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能變化成電能，從輸出端輸出電壓。無(wú)負(fù) 載時(shí)，開(kāi)路升壓比為：V 4IL3宀- F j/t1式中 Z-材料的機(jī)械品行因數(shù)；K31、乂33一材料的縱、橫向電機(jī)耦合系數(shù)； L發(fā)電部份的長(zhǎng)度；T變壓器厚度。（2）壓電變壓器的應(yīng)用壓電變壓器次要用于高壓、低功率和正弦波變卦的情況，具有輸出電壓高，份量輕，體積小，無(wú)泄漏磁場(chǎng)、不燃燒等奇異優(yōu)點(diǎn)。為了得到多個(gè)電壓輸

12、出， 憑證橫一縱變壓器的輸出電壓與長(zhǎng)度成反比，越靠近發(fā)電部份端頭，電壓越高, 我們可在發(fā)電部份的差異地位制作電極作為抽頭，從而得赴任異的電壓輸出。 如圖5-5所示。3.壓電陶瓷拾音器和揚(yáng)聲器壓電陶瓷在電聲設(shè)備上有普及應(yīng)用，比如壓電陶瓷拾音器、揚(yáng)聲器。送受話(huà) 器等都是操作壓電陶瓷的換能性質(zhì)(機(jī)械能變化成電能或反過(guò)來(lái))來(lái)研制的。 (1 )雙膜片型振子電聲設(shè)備要求機(jī)械阻抗低，能與音源或振動(dòng)源相正配，雙膜片型壓電振子能 契合這些要求。它是由兩片長(zhǎng)度伸縮的壓電陶瓷片粘合而成，當(dāng)一片伸長(zhǎng)時(shí)， 另一片縮短，整體做鸞曲運(yùn)動(dòng)。圖56給出雙膜片型振子的工作道理，當(dāng)一片有肯定厚度的壓電陶鎏受力彎 曲時(shí)，在其厚度的一

13、側(cè)為伸長(zhǎng)，另一側(cè)為壓縮，此時(shí)陶瓷片內(nèi)部將發(fā)作電荷， 但由于整個(gè)膜片極化偏向不異，而上側(cè)為伸長(zhǎng)，下側(cè)為壓縮，因而引起電偶極 矩相反,上下側(cè)電荷標(biāo)志不異,故不存在電位差,如圖5-6( a)所示。如改用 兩片疊合的雙膜片布局，當(dāng)受力彎曲時(shí)，則可得到電壓輸出。圖56 ( b )使用 兩片極化偏向相反的膜片串聯(lián)毗鄰，受力時(shí)上面一片伸長(zhǎng)，下面一片壓縮。由于極化偏向相反，因而雙膜片上下兩面帶標(biāo)志相反電荷，可得到電壓輸出。圖5-6 ( c )是用極化偏向不異的兩片膜片并聯(lián)毗鄰疊合而成，也可得到輸出電壓。(2)壓電陶瓷拾音器布局和工作道理圖5-7是雙聲道陶瓷拾音器布局圖。其工作道理是： 在唱機(jī)放音時(shí)，拾音器 的

14、針尖沿唱片槽(其左右槽壁還刻有振動(dòng)信號(hào))挪動(dòng)，發(fā)作剖析的機(jī)械振動(dòng)， 同時(shí)由耦合件將該振動(dòng)分化成兩個(gè)互相垂直份量,然后再將份量分辯傳入兩個(gè) 傳感器(壓電傳感器常用雙膜片型)的端部，使他們發(fā)作彎曲振動(dòng)，最后通過(guò) 正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換并復(fù)原為左右聲道的音頻信號(hào)。拾音器中的橡膠固定件、橡膠 阻尼件、橡膠耨合件及針桿橡膠件的軟硬、彈性和撐勁及其絕對(duì)地位對(duì)器件的靈敏度、頻次響應(yīng)等有極大影響。(3)壓電陶瓷揚(yáng)聲器布局和工作道理壓電陶瓷揚(yáng)聲器是一種布局龐大、輕巧的電聲器件，具有靈敏度高、無(wú)磁場(chǎng)散播外溢、不用銅線(xiàn)和磁鐵、成本低，耗電少、縫補(bǔ)方便、便于多量出產(chǎn)等優(yōu) 點(diǎn)。其布局圖如5-8所示。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為壓電陶瓷雙膜片，

15、振動(dòng)系統(tǒng)為紙盆，耦 合元件把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量有效的傳送給振動(dòng)系統(tǒng)。工作時(shí)，加在壓電陶瓷雙膜 片片上的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)耦合元件傳給紙盆使之振動(dòng)發(fā)聲。壓電雙膜 片具有較高阻抗，構(gòu)成電壓驅(qū)動(dòng)，力F和電壓V之間的關(guān)系為F=KV,K為比例 系數(shù)，設(shè)包括輻射阻抗在內(nèi)的振念頭械阻抗為Z,則振動(dòng)速度為V=F/Z可以得到高振動(dòng)膜中心r處的聲壓P式中f頻次P介質(zhì)密度S錐體有效面積此外，還可憑證壓電陶瓷壓電效應(yīng)制成此外的電聲能量轉(zhuǎn)換器，如送、受 話(huà)器、蜂鳴器等。(4)壓電陶瓷風(fēng)扇和繼電器操作壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可制成小型的壓電陶瓷風(fēng)扇，具有體積小，不會(huì) 發(fā)燒，無(wú)嘈聲、低功耗、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。圖5.9是一個(gè)壓電陶瓷

16、彎曲變形器， 它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構(gòu)成，陶森片在外電場(chǎng)作用下發(fā)作伸縮運(yùn)動(dòng)。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊膨脹另一邊伸長(zhǎng)，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動(dòng)O壓電陶瓷風(fēng)扇是由兩個(gè)彎曲變形器組成，如圖5-10 ,接通交流電源后，兩葉片就按箭頭偏向做往復(fù)振動(dòng)、發(fā)作的風(fēng)量可達(dá)0.42立方米/分鐘。操作彎曲器還 可制成繼電器。(5)壓電振動(dòng)加速計(jì)壓電陶瓷在計(jì)測(cè)儀器上有普及的應(yīng)用，這里介紹壓電加速度計(jì)。圖5“1是壓電陶瓷加速度計(jì)的浮現(xiàn)圖。當(dāng)被測(cè)物體加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，放在上面 的質(zhì)量為m的質(zhì)量塊夾在中間的壓電陶瓷片發(fā)作壓力F ,由于壓電效應(yīng)，在陶 瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與

17、應(yīng)力成反比，而應(yīng)力又與加速度(也即 被測(cè)物體的加速度)成反比，因而可以測(cè)得的輸出電壓求得運(yùn)動(dòng)物體的加速度。修K -ll獨(dú)石（多層）壓電陶瓷變壓器基本工作道理及特點(diǎn)在當(dāng)代，壓電陶瓷廢品對(duì)我們并不陌生。正壓電效應(yīng)的應(yīng)用次要用于燃?xì)夥贌?，如燃?xì)庠?燃?xì)獯蚧饳C(jī)等 的焚燒系統(tǒng)?；竟ぷ鞯览頌椋河赏饬嚎s,個(gè)彈簧，壓到頂點(diǎn)后釋 放，彈簧力拷打一個(gè)車(chē)錘打擊壓電陶羥柱發(fā)作一數(shù)千伏的高壓火花， 撲滅可燃?xì)怏w。逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用次要用于壓電蜂鳴器，比如音樂(lè)賀卡、門(mén)鈴.尋 呼機(jī).挪動(dòng)電話(huà)機(jī)振鈴等?；竟ぷ鞯览頌椋寒?dāng)在壓電陶究片.上施加 一交變電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷片發(fā)作一絕對(duì)應(yīng)的形變即振動(dòng)，鑿振動(dòng)頻次 在音頻波段內(nèi)時(shí)就會(huì)

18、發(fā)出對(duì)應(yīng)的音響。應(yīng)用此特性配合機(jī)械諧振道理還多量用于制造諧振器、選頻器、耽誤線(xiàn)、濾波器等電子組件。壓電陶瓷變壓器的基本構(gòu)成則皓將一壓電蜂鳴器的應(yīng)用與一壓電 焚燒器的應(yīng)用組合起來(lái)，組成壓電諧振子。在蜂鳴器的一端（稱(chēng)為驅(qū) 動(dòng)端）輸入一個(gè)4壓電變壓器諧振頻次分歧的正弦交變電壓，壓電諧 振子發(fā)作振動(dòng)，傳導(dǎo)至焚燒器的一端（稱(chēng)為發(fā)電端），發(fā)作持續(xù)的正弦 波電壓，視乎丁壓電變壓器的布局特征，可以是輸入低電壓、輸出高 電壓（升壓型），也可以是輸入而電壓、輸出低電壓（降壓型）。若在 制頻驅(qū)動(dòng)電壓上通過(guò)調(diào)制解調(diào)器到場(chǎng)低頻調(diào)制，則可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。壓電陶瓷變壓器的某木布局方式如圖（一）所示壓電陶瓷是一種脆性材料，為保隙其機(jī)械強(qiáng)度，壓電變壓器必需育 肯定的可度，上述變壓器的驅(qū)動(dòng)電壓就受到了相當(dāng)?shù)南拗啤榇霜?dú)行 （多層）壓電陶瓷變壓器項(xiàng)口應(yīng)運(yùn)而生。獨(dú)石（多層）壓電陶寬變壓 器的基木布局方式如圖（二）所示。圖（三）獨(dú)石（多層）壓電陶瓷變壓器內(nèi)部電極布局 圖中 粗線(xiàn)為外電極戶(hù)為極化偏向采用了獨(dú)石（多層）布局后每一單層厚度和層數(shù)都可調(diào)，驅(qū)動(dòng)電壓 不再受到限制，因而可以使壓電變壓滯非論處在何