壓電材料與應(yīng)用課件

1、壓電材料與應(yīng)用主要內(nèi)容1.壓電材料概述2.壓電材料的性能指標(biāo)3.壓電陶瓷體系4.壓電陶瓷制備工藝5.壓電材料的應(yīng)用壓電材料的原理 壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。 壓電材料概述壓電材料類(lèi)別1.壓電單晶 石英（ SiO2 ，J居里和P居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的），性穩(wěn)定，但價(jià)格高，一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中；2.壓電陶瓷材料 PZT、BaTiO3、PTiO3、鉍層狀陶瓷等。3.壓電聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可

2、以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。 4.壓電復(fù)合材料 壓電陶瓷與聚合物的復(fù)合，同時(shí)兼具陶瓷的高壓電性能，又有聚合物的韌性，一些指標(biāo)特別優(yōu)異。0-3型、1-3型、3-3型。壓電材料概述各種壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn) 壓電單晶 優(yōu)點(diǎn)：Q值較大，有良好的溫度特性。 缺點(diǎn)：制程困難，價(jià)格貴。壓電陶瓷 優(yōu)點(diǎn)：抗酸堿，機(jī)電耦合系數(shù)高，易制程任意形狀，價(jià)格 便宜。 缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，需高壓極化處理(kV/mm)。壓電聚合物 優(yōu)點(diǎn)：低聲學(xué)阻抗特性，柔軟可做極薄

3、的組件。 缺點(diǎn)：壓電參數(shù)小，需極高的極化電場(chǎng)(MV/mm)壓電材料概述2、機(jī)電耦合系數(shù)Kp 機(jī)電耦合系數(shù)K是一個(gè)綜合反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù),。如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。壓電材料性能指標(biāo)KpK33KtK15K31壓電材料性能指標(biāo)4、頻率常數(shù)N

4、 對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘機(jī)為一個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)。N=frl其中：fr為壓電振子的諧振頻率；l為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。薄圓片徑向振動(dòng)Np=frD薄板厚度伸縮振動(dòng)Nt=frt細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng)N33=frl薄板切變K15振動(dòng)N15=frltD為圓片的直徑t為薄板的厚度l為棒的長(zhǎng)度lt為薄板的厚度壓電材料性能指標(biāo)壓電陶瓷是什么？ 是一種具壓電效應(yīng)的多晶體。因生產(chǎn)工藝和陶瓷相近而得名。壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷材料分類(lèi)壓電陶瓷 ： 1）一元系壓電陶瓷；2）二元系壓電陶瓷；3）三元系壓電陶瓷；4）四元系壓電陶瓷。鋯鈦酸鉛PbTiO3-PbZrO3(PZT) 1965年問(wèn)世的PCM，

5、它由鋯酸鉛PbZrO3-鈦酸鉛PbTiO3-鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。 鈦酸鉛(PbTiO3)系壓電陶瓷；鋯酸鉛(PbZrO3)系壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷 因此，PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無(wú)限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)稱PZT瓷。多元系Pb(TiZr)O3壓電陶瓷一些性能往往是互相克制的，如： 國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的PZT瓷料的性能KP=0.100.40，Qm=5003600 ,具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。 1965年以來(lái)

6、，人們通過(guò)在PZT的基礎(chǔ)上再固溶另一種組分更復(fù)雜的復(fù)合鈣鈦礦化合物Pb(B1B2)O3而形成的三元系、四元系甚至五元系壓電陶瓷以獲得更好的壓電性能。Qm 增加 ，則KP減小 ；增加，則tan增大 ；KP增加 ，則熱穩(wěn)定性。無(wú)鉛壓電材料 迄今為止，可被考慮的無(wú)鉛壓電陶瓷體系有：1.BaTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） b （1-x） BaTiO3-xAIBIIO3 （AI=K、Na，BII=Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）壓電陶瓷系統(tǒng)2.Bi1/2Na1/

7、2TiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷a (1-x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3b (1-x)BNT-xATiO3(A=Ba、Sr、Ca或由它們組成的復(fù)合離子）c (1-x)BNT-xAINbO3（AI=K、Li、Na）d (1-x)BNT-xAIBIIO3（AI=Bi、La；BII=Cr、Fe、Sc、Mn）e (1-x)BNT-xBaTiO3-yBiFeO3壓電陶瓷系統(tǒng)3.NaNbO3基無(wú)鉛壓電陶瓷 A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6 b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷 a Bi4Ti3O12基無(wú)鉛壓電陶瓷 b MBi4Ti4O15基無(wú)鉛壓電陶瓷 c MBi2N

8、b2O9基無(wú)鉛壓電陶瓷（M=Sr、Ca、Ba、 Na0.5Bi0.5等) d 復(fù)合鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)(5)鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷a(SrxBa1-x)Nb2O6基無(wú)鉛壓電陶瓷b(AxSr1-x)NaNb5O15基無(wú)鉛壓電陶瓷(A=Ba、Ca、Mg等）C Ba2AgNb5O15基無(wú)鉛壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)主要用 各種功率型超聲換能器，如超聲霧化器、增濕機(jī)、超聲焊接器、超聲清洗機(jī)、乳化器等；水聲發(fā)射換能器；壓電變壓器；壓電馬達(dá)芯片；點(diǎn)火器和發(fā)射檢測(cè)傳感器等等。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(103Vm/N)33T/0tan()QmPZT-4F15-60.62/34029.

9、113200.351200F15-70.58/31028.012500.40750PZT-8FC-10.52/24025.110800.25/P-50.57/25025.711000.30800PS0.58/24025.810500.40200F30.55/30029.511500.38/SW20.590.4736015000.341300SW30.590.4931210500.51100PZT-7PGB0.510.4917432.76020.221129F2-60.560.5018534.36100.191100BT-20.32/15214.811700.70400發(fā)射型壓電陶瓷材料壓電陶瓷

10、系統(tǒng)主要用途：各種檢測(cè)傳感器，如壓力計(jì)流量計(jì)風(fēng)速計(jì)等；水聲換能器；醫(yī)用換能器；電聲器件和點(diǎn)火器等等。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(103Vm/N)33T/0tan()d31QmPZT-5Sn-80.64/43034.714001.8060PZT-5AS1-010.6650.515153019501.5519570PZT-5BS330.690.504902820001.7019573S340.730.5455030.521001.7022570S1-10.62/41024.419001.6015060S1-3D0.67/52024.220001.6020565PZT-5JSm-

11、160.65/54022.227501.55110PZT-5HSm-320.63/63024.529001.3032065Sm-32A0.68/67021.635001.6032065Sm-32B0.670.5168022.038001.8932055Sm-32C0.730.517502441001.9534065接收型壓電陶瓷材料壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷的穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性老化隨時(shí)間延長(zhǎng)， ，fr ，s11E , kp , Qm 原因：極化壓電陶瓷亞穩(wěn)狀態(tài)老化過(guò)程 趨于穩(wěn)定壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷制備流程：配料混料合成細(xì)磨加粘結(jié)劑成型排塑燒結(jié) 清洗氧化上電極極化性能測(cè)試存放加工壓電陶瓷制備壓電陶瓷的各

12、種電極制備及其優(yōu)缺點(diǎn)制備方法電極材料優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1.燒滲Ag結(jié)合好、成本低電極較厚2.磁控濺射N(xiāo)i-AuAu結(jié)合好，可鍍厚膜，可焊性好成本高3.真空蒸發(fā)Ni-AuNiCr-AuCr-Au結(jié)合差結(jié)合較好結(jié)合好膜層較薄，結(jié)合較差，可焊性差4.化學(xué)鍍、電鍍Ni-AgNi-Au低溫鍍膜，側(cè)面及孔內(nèi)都可均勻鍍上，結(jié)合牢污染，成本高，技術(shù)難度大壓電陶瓷制備壓電陶瓷的極化機(jī)理壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶電介質(zhì)。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成。 每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。 要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加

13、強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列 。極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性 。1.PZT壓電陶瓷常采用的極化條件極化電場(chǎng)：3 5 KV/mm極化溫度：100 150oC極化時(shí)間：10 20 min.2.高溫壓電陶瓷常采用的極化條件極化電場(chǎng)：8 10KV/mm極化溫度：180 200oC極化時(shí)間：30 60 min.壓電陶瓷的極化條件壓電陶瓷制備應(yīng)用分類(lèi) 正壓電效應(yīng)將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電能，如點(diǎn)火裝置，拾音器等，是機(jī)電換能器 逆壓電效應(yīng) 主要用于壓電蜂鳴器，如音樂(lè)賀卡、門(mén)鈴和揚(yáng)聲器等 壓電材料應(yīng)用壓電陶瓷應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且與人類(lèi)的生

14、活密切相關(guān)。其應(yīng)用大致可歸納為以下四方面。能量轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，故可用于制造壓電打火機(jī)、壓電點(diǎn)火機(jī)、移動(dòng)X光機(jī)電源、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(dòng)，用于探尋水下魚(yú)群，對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。傳感。用壓電陶瓷制成的傳感器可用來(lái)檢測(cè)微弱的機(jī)械振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙感遙測(cè)、環(huán)境保護(hù)、家用電器等。驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，以精確地控制位移，可用于精密儀器與精密機(jī)械、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)及生物工程等領(lǐng)域。頻率控制。壓電陶瓷還可以用來(lái)制造各種濾波器和諧振器。壓電材料應(yīng)用壓電打火機(jī)：壓電

15、打火機(jī)，就是應(yīng)用了壓電陶瓷的壓電效應(yīng)制成的。只要用大拇指壓一下打火機(jī)上的按鈕，使一根鋼柱在壓電陶瓷上施加機(jī)械力，壓電陶瓷即產(chǎn)生高電壓，形成火花放電，從而點(diǎn)燃可燃?xì)怏w。在這種打火機(jī)中，采用直徑為2.5毫米，高度為4毫米的壓電陶瓷，就可得到1020千伏的高電壓。當(dāng)壓電陶瓷把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能放電時(shí)，陶瓷本身不會(huì)消耗，也幾乎沒(méi)有磨損，可以長(zhǎng)久使用下去，所以，壓電打火機(jī)使用方便，安全可靠，壽命長(zhǎng)。壓電材料應(yīng)用壓電引爆裝置：其實(shí)，壓電打火機(jī)的點(diǎn)火原理可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是軍事領(lǐng)域。在反坦克炮彈上裝上壓電陶瓷元件，當(dāng)炮彈擊中坦克時(shí)，陶瓷因受壓而產(chǎn)生高電壓，從而引燃炸藥，摧毀坦克。壓電陶瓷在非常強(qiáng)的機(jī)械沖擊

16、波的作用下，儲(chǔ)存的能量在以微秒計(jì)的瞬間釋放出來(lái)，產(chǎn)生瞬間電流達(dá)10萬(wàn)安培以上的高壓脈沖，可用于原子武器的引爆。壓電材料應(yīng)用壓電探魚(yú)儀：探魚(yú)儀是一種用來(lái)探測(cè)水下魚(yú)群的聲納設(shè)備。其聲波發(fā)射部分和接收部分用壓電陶瓷制成。壓電陶瓷在交變電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，從而向水中發(fā)射聲波。聲波在向前傳播時(shí)遇到魚(yú)群即被反射回來(lái)，壓電陶瓷接收部分收到回波后，即將它變換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路處理就會(huì)顯示出魚(yú)群的規(guī)模、種類(lèi)、密集程度、方位和距離等，便于捕撈作業(yè)。壓電探魚(yú)儀其發(fā)射功率已達(dá)到兆瓦級(jí)。用壓電陶瓷制成的接收部分有很高的靈敏度，根據(jù)回波的強(qiáng)弱可以判斷是海底、礁石，還是魚(yú)群，甚至可以判斷魚(yú)群的種類(lèi)、大小和分布情況。

17、壓電材料應(yīng)用壓電地震儀：地震是常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。全世界每年要發(fā)生幾百萬(wàn)次地震，平均每分鐘就有十幾次。不過(guò)絕大多數(shù)地震比較微弱，人們感覺(jué)不到。強(qiáng)烈的大地震，一般每年不過(guò)三五次。然而這種大地震一旦發(fā)生，對(duì)人類(lèi)造成的災(zāi)難是毀滅性的，因此地震預(yù)報(bào)十分重要。測(cè)量地震的儀器靈敏度越高越精確，地震預(yù)報(bào)就報(bào)得越早越準(zhǔn)，就可把地震帶來(lái)的損失減得越小。壓電材料應(yīng)用壓電超聲醫(yī)療儀：生物醫(yī)學(xué)工程是壓電陶瓷應(yīng)用的重要領(lǐng)域。用作生物醫(yī)學(xué)材料的壓電陶瓷稱為壓電生物陶瓷，如鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇壓電陶瓷等。壓電生物陶瓷主要用于制作探測(cè)人體信息的壓電傳感器(如用鈦酸鋇壓電陶瓷制作的心內(nèi)導(dǎo)管壓電微壓器和心尖搏動(dòng)音傳感器，用復(fù)合壓

18、電材料制作的脈壓傳感器)和壓電超聲醫(yī)療儀。壓電材料應(yīng)用積層式壓電變壓器：用于筆記本電腦液晶顯示器、桌上型電腦液晶顯示器、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)、數(shù)碼相機(jī)(DSC)、數(shù)碼攝影機(jī)(DSC)之冷陰極管電源模組等。 壓電材料應(yīng)用壓電超聲馬達(dá)世界上最小的馬達(dá)（電機(jī)）：重36mg，長(zhǎng)5mm，直徑1mm，可作為人造心臟的驅(qū)動(dòng)器。原理：當(dāng)給定子加上電之后，由于逆壓電效應(yīng)，定子表面就會(huì)產(chǎn)生超聲振動(dòng)。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)起來(lái)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)快、體積小、無(wú)電磁干擾。 壓電材料應(yīng)用壓電式平面喇叭經(jīng)由雙簧式壓電致動(dòng)器出力使基板產(chǎn)生振動(dòng)從而構(gòu)成一揚(yáng)聲機(jī)制：用于移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA) 、筆記本電腦等之發(fā)聲模塊。MICROSPEAKER 15gDMA 3g壓電材料應(yīng)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 壓電