特種陶瓷第五講壓電陶瓷

1、壓電陶瓷第一頁，共八十八頁。壓電陶瓷壓電陶瓷基本概念及性能參數(shù)壓電陶瓷的應(yīng)用BaTiO3系壓電陶瓷PbTiO3系壓電陶瓷Pb(Ti,Zr)O3系壓電陶瓷第二頁，共八十八頁。壓電陶瓷基本概念及性能參數(shù)第三頁，共八十八頁。三個重要概念 極化 （Polarization ） 在電場作用下， 電介質(zhì)中束縛著的 電荷發(fā)生位移或者 極性按電場方向轉(zhuǎn) 動的現(xiàn)象，稱為電 介質(zhì)的極化。第四頁，共八十八頁。自發(fā)極化（Spontaneous Polarization）120以下，BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)稍有畸變，為四方結(jié)構(gòu)，Ba2+和Ti4+相對于O2-產(chǎn)生了一個位移，結(jié)果沿C 軸方向正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生了極化（自

2、發(fā)極化），通常把這種轉(zhuǎn)變溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)（Tc）。 120到5自發(fā)極化沿C軸001方向。第五頁，共八十八頁。鐵電晶體中存在著自發(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(jì)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。第六頁，共八十八頁。鐵電陶瓷 (Ferroelectric Ceramics)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。具有這種特性的陶瓷材料稱為鐵電陶瓷.Ps單個電疇的極化強(qiáng)度；Pr剩余極化強(qiáng)度；Ec矯頑電場。第七頁，共八

3、十八頁。第八頁，共八十八頁。 壓電效應(yīng)及材料1、壓電效應(yīng)對某些晶體施加機(jī)械力而引起它們內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移，產(chǎn)生極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，機(jī)械力與電荷呈線性可逆關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（壓電） 。 第九頁，共八十八頁。 (a)不受外力 (b)沿X方向的壓力 (c)沿X方向的拉力第十頁，共八十八頁。逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在晶體上施加電場時，由于電場的作用會引起介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，而這一位移又使介質(zhì)發(fā)生形變。在一定電場強(qiáng)度范圍內(nèi)，電場強(qiáng)度與形變呈線性可逆關(guān)系，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。 第十一頁，共八十八頁。 壓電效應(yīng)的本質(zhì)：機(jī)械作用引起介質(zhì)極化逆壓

4、電效應(yīng)的本質(zhì)：電場作用引起介質(zhì)極化 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F 極化方向 電場方向第十二頁，共八十八頁。2、壓電材料1）.壓電晶體石英（ SiO2 ，J居里和P居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的），性能穩(wěn)定，但價格高，一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中；酒石酸鉀納（在常溫下有壓電性，技術(shù)上有使用價值，但有易溶解的缺點(diǎn) ）；磷酸銨低于-14 8下才有壓電性，工程使用價值不大。 2）.聚合物PVF2（聚二氟乙烯）第十三頁，共八十八頁。并非所有的陶瓷都具有壓電效應(yīng)。作為壓電陶瓷的原材料，在晶體結(jié)構(gòu)上一定是不具有對稱中心的晶體，如氧化鉛、氧化鋯、氧化鈦、碳酸鋇

5、、氧化鈮、氧化鎂、氧化鋅等。在32種點(diǎn)群的晶體中，只有20種非中心對稱點(diǎn)群的晶體才有壓電效應(yīng)。將這些原材料在高溫下致密燒結(jié)，制成陶瓷，并將制好的陶瓷在直流高壓電場下進(jìn)行極化處理，才能成為壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛以及三元系壓電陶瓷等。3）.壓電陶瓷第十四頁，共八十八頁。1942年，第一個壓電陶瓷材料鈦酸鋇（BaTiO3）先后在美國、前蘇聯(lián)和日本制成，但其壓電性隨溫度變化較大。 1954年美國B賈菲等人 ，發(fā)現(xiàn)了壓電PbZrO3 -PbTiO 3(PZT)固溶體系統(tǒng) 。 在1970年后，添加不同添加劑的二元系PZT陶瓷具有優(yōu)良的性能，已經(jīng)用來制造濾波器、換能器、變壓器等。

6、 隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對壓電材料與器件的要求就越來越高了，二元系PZT已經(jīng)滿足不了使用要求，于是研究和開發(fā)性能更加優(yōu)越的三元、四元甚至五元壓電材料。第十五頁，共八十八頁。壓電材料的主要特性參數(shù) 壓電常數(shù) 彈性常數(shù) 介電常數(shù) 機(jī)電耦合系數(shù) 電阻 居里點(diǎn) 第十六頁，共八十八頁。1）、壓電常數(shù)d33 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。 當(dāng)沿壓電陶瓷的極化方向（z軸）施加壓應(yīng)力T3時，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式： 式中d33為壓電常數(shù)，足標(biāo)中第一個數(shù)字指電場方向或電極面的垂直方向，第二個數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；T3為應(yīng)力；D3為電位移。第十七頁，

7、共八十八頁。壓電常數(shù)D33是壓電介質(zhì)把機(jī)械能（或電能）轉(zhuǎn)換為電能（或機(jī)械能）的比例常數(shù)，反映了應(yīng)力（T）、應(yīng)變（S）、電場（E）或電位移（D）之間的聯(lián)系，直接反映了材料機(jī)電性能的耦合關(guān)系和壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱，從而引出了壓電方程。常見的壓電常數(shù)有四種：dij、gij、 eij、 hij。第十八頁，共八十八頁。2）、機(jī)電耦合系數(shù)Kp 機(jī)電耦合系數(shù)K是一個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模式有關(guān)，不同的振動模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。如對薄

8、圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長片長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。第十九頁，共八十八頁。機(jī)電耦合系數(shù)K是壓電材料進(jìn)行機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換的能力反映。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)，是一個比較綜合性的參數(shù)。其值總是小于1。第二十頁，共八十八頁。第二十一頁，共八十八頁。3）、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm 壓電陶瓷在振動時，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。Qm越大，能量消耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的定義式是：其中：fr為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率R

9、為諧振頻率時的最小阻抗Zmin（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容第二十二頁，共八十八頁。4）、頻率常數(shù)N 對某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動方向長度的乘積為一個常數(shù)，即頻率常數(shù)。N=frl其中：fr為壓電振子的諧振頻率；l為壓電振子振動方向的長度。薄圓片徑向振動Np=frD薄板厚度伸縮振動Nt=frt細(xì)長棒K33振動N33=frl薄板切變K15振動N15=frltD為圓片的直徑t為薄板的厚度l為棒的長度lt為薄板的厚度第二十三頁，共八十八頁。壓電陶瓷材料主要參數(shù)的確定材料參數(shù)Kp、Qm、d33、33和tg的確定 需采用薄圓片的徑向振動模式，要求薄圓片的直徑比厚度大得多

10、，其比值大于10。極化方向與厚度方向平行，電極面與厚度方向垂直，片子是均勻的正圓形。如果薄圓片的f值較小時，可用下式直接計(jì)算： 當(dāng)=0.27時，Kp22.51f/fs 當(dāng)=0.30時，Kp22.53f/fs 當(dāng)=0.36時，Kp2.55f/fs第二十四頁，共八十八頁。壓電陶瓷 Qm=1/4R1Cf1012 33=4Ctlt/ Ct是薄圓片的低頻電容(法拉),可在1KC頻率下由電容電橋測出,lt為薄圓片的厚度(米), 為薄圓片的直徑(米), 33為自由介電常數(shù)(法拉/米)。 tg用電容電橋或萬用電橋等測出。 d33用準(zhǔn)靜態(tài)測試儀測定。 第二十五頁，共八十八頁。壓電陶瓷的應(yīng)用第二十六頁，共八十八頁

11、。壓電陶瓷應(yīng)用第二十七頁，共八十八頁。壓電陶瓷應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且與人類的生活密切相關(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，用于探尋水下魚群，對金屬進(jìn)行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。第二十八頁，共八十八頁。壓電陶瓷應(yīng)用傳感。用壓電陶瓷制成的傳感器可用來檢測微弱的機(jī)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(hù)、家用電器等。驅(qū)動。壓電驅(qū)動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

12、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制造各種濾波器和諧振器。第二十九頁，共八十八頁。壓電打火機(jī)：壓電打火機(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，陶瓷本身不會消耗，也幾乎沒有磨損，可以長久使用下去，所以，壓電打火機(jī)使用方便，安全可靠，壽命長。壓電陶瓷應(yīng)用第三十頁，共八十八頁。壓電打火機(jī)第三十一頁，共八十八頁。壓

13、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，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)械沖擊波的作用下，儲存的能量在以微秒計(jì)的瞬間釋放出來，產(chǎn)生瞬間電流達(dá)10萬安培以上的高壓脈沖，可用于原子武器的引爆。壓電陶瓷應(yīng)用第三十二頁，共八十八頁。壓電探魚儀：探魚儀是一種用來探測水下魚群的聲納設(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作用下，會產(chǎn)生伸縮振動，從而向水中發(fā)射聲波。聲波在向前傳播時遇到魚群即被反射回來，壓電陶瓷接收部分收到回波后，即將它變換成電信號，經(jīng)過電路處理就會顯

14、示出魚群的規(guī)模、種類、密集程度、方位和距離等，便于捕撈作業(yè)。壓電探魚儀其發(fā)射功率已達(dá)到兆瓦級。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，還是魚群，甚至可以判斷魚群的種類、大小和分布情況。壓電陶瓷應(yīng)用第三十三頁，共八十八頁。壓電地震儀：地震是常見的自然現(xiàn)象。全世界每年要發(fā)生幾百萬次地震，平均每分鐘就有十幾次。不過絕大多數(shù)地震比較微弱，人們感覺不到。強(qiáng)烈的大地震，一般每年不過三五次。然而這種大地震一旦發(fā)生，對人類造成的災(zāi)難是毀滅性的，因此地震預(yù)報(bào)十分重要。測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)，就可把地震帶來的損失減得越小。壓電陶瓷應(yīng)用第三十四頁，

15、共八十八頁。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音傳感器，用復(fù)合壓電材料制作的脈壓傳感器)和壓電超聲醫(yī)療儀。壓電陶瓷應(yīng)用第三十五頁，共八十八頁。壓電超聲醫(yī)療儀中應(yīng)用最廣的是B型超聲診斷儀。這種診斷儀中有用壓電陶瓷制成的超聲波發(fā)生探頭，它發(fā)出的超聲波在人體內(nèi)傳輸，體內(nèi)各種不同組織對超聲波有不同的反射和透射作用。反射回來的超聲波經(jīng)壓電陶瓷接收器轉(zhuǎn)換成電信號，并顯示在屏幕上，據(jù)此可看出各內(nèi)臟的位置、大

16、小及有無病變等。B型超聲診斷儀通常用來檢查內(nèi)臟病變組織(如腫塊等)。壓電陶瓷應(yīng)用第三十六頁，共八十八頁。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。 壓電陶瓷應(yīng)用第三十七頁，共八十八頁。壓電超聲馬達(dá)世界上最小的馬達(dá)（電機(jī)）：重36mg，長5mm，直徑1mm，可作為人造心臟的驅(qū)動器。原理：當(dāng)給定子加上電之后，由于逆壓電效應(yīng)，定子表面就會產(chǎn)生超聲振動。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子也會跟著運(yùn)動起來。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、體積小、無電磁干擾。 第三十八頁，共八十八頁。壓電式平面喇叭經(jīng)

17、由雙簧式壓電致動器出力使基板產(chǎn)生振動從而構(gòu)成一揚(yáng)聲機(jī)制：用于移動電話、個人數(shù)碼助理(PDA) 、筆記本電腦等之發(fā)聲模塊。MICROSPEAKER 15gDMA 3g第三十九頁，共八十八頁。壓電喇叭應(yīng)用實(shí)例N506iV501T第四十頁，共八十八頁。壓電陶瓷驅(qū)動器 壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。據(jù)報(bào)道，88層的壓電陶瓷片做成的驅(qū)動器可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50m的位移，響應(yīng)速度之快是其它材料所無法比擬的，是高精度、高速驅(qū)動器所必須的材料，

18、已應(yīng)用在各種跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、照相機(jī)自動聚焦、機(jī)器人微定位器、磁頭、噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等。第四十一頁，共八十八頁。壓電致動器用于相機(jī)鏡頭第四十二頁，共八十八頁。壓電振蕩器用于加濕機(jī)，醫(yī)療霧化等領(lǐng)域。第四十三頁，共八十八頁。 壓電換能器汽車倒車?yán)走_(dá)第四十四頁，共八十八頁。壓電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模壓電陶瓷作為重要功能材料在電子領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重2000年全球壓電陶瓷銷售額約達(dá)30億美元近年來，壓電陶瓷在全球每年銷售量按15%速度增長第四十五頁，共八十八頁。無鉛化影響壓電陶瓷市場RoHS指令：RoHS指令是電氣、電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令（the RestrICTion of the us

19、e of cerTain hazardous substances in electrICal aNd electronic equipment）的英文縮寫。 鉛（Pb） 使用該物質(zhì)的例子：焊料、玻璃、PVC穩(wěn)定劑WEEE指令：實(shí)現(xiàn)廢棄電子電氣產(chǎn)品回收計(jì)劃禁用物質(zhì)：嚴(yán)格控制材料中的禁用化學(xué)物質(zhì)，如：鉛、鎘、汞和六價鉻、PBBs， PBDEs阻燃劑第四十六頁，共八十八頁。我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中科院1979年開始致力于非鉛壓電陶瓷的研究目前國內(nèi)壓電陶瓷市場上的產(chǎn)品仍以傳統(tǒng)技術(shù)和生產(chǎn)方式進(jìn)行運(yùn)作無鉛產(chǎn)品還未形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢無鉛化正是行業(yè)內(nèi)主要努力方向第四十七頁，共八十八頁。發(fā)展方向電子產(chǎn)品日益精致，要求元

20、器件可以做的越來越小，小型化是必然方向。小型化“環(huán)境材料”的概念提出對傳統(tǒng)的壓電鐵電陶瓷的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。 無鉛化盡快形成相應(yīng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售一條龍的健康商業(yè)鏈條是目前首要任務(wù) 。產(chǎn)業(yè)化第四十八頁，共八十八頁。BaTiO3壓電陶瓷性能隨溫度和時間變化大，原因?yàn)椋壕永餃囟?200C；第二相變點(diǎn)00C，結(jié)構(gòu)有斜方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄担园l(fā)極化方向由(011)變?yōu)?001) 介電性、壓電性、彈性性能急劇變化，且不穩(wěn)定；性能隨溫度升高和下降具有滯后現(xiàn)象；從鐵電性變?yōu)轫橂娦缘木永稂c(diǎn)較低。 第四十九頁，共八十八頁。第五十頁，共八十八頁。鈦酸鋇晶體的自發(fā)畸變與溫度的關(guān)系 第五十一頁，共八十八頁。BaTi

21、O3壓電陶瓷的改性摻入CaTiO3、PbTiO3 n mol% 摻入CaTiO3，居里點(diǎn)幾乎不變，第二相變點(diǎn)降低；摻入16%，-550C，壓電性降低 8mol%； 摻入PbTiO3，居里點(diǎn)升高，第二相變點(diǎn)降低，矯頑場增高，性能穩(wěn)定；摻入量過高，壓電性降低 8mol%。 (Ba0.88,Pb0.08,Ca0.04)TiO3：居里點(diǎn)1600C/- 550C 壓電陶瓷第五十二頁，共八十八頁。PbTiO3 陶瓷的摻雜改性壓電陶瓷第五十三頁，共八十八頁。Pb(Ti,Zr)O3系壓電陶瓷第五十四頁，共八十八頁。Pb(Ti,Zr)O3系壓電陶瓷 具有中間組成的體系，存在四方鐵電相和三方鐵電相之間的相界。在此

22、附近，隨鈦離子濃度增加，自發(fā)極化取向由(111)變?yōu)?001)。在此過程，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，介電性和壓電性顯著提高。 第五十五頁，共八十八頁。Pb(Ti,Zr)O3系壓電陶瓷的特點(diǎn)與改性特點(diǎn)：壓電性約比BaTiO3大2倍；在-55200 0C范圍內(nèi)不存在相變；燒結(jié)過程中PbO易揮發(fā)，難以得到致密的燒結(jié)體；在相界附近，壓電性與Zr/Ti密切相關(guān)。改善：Sn、Hf部分置換Ti、Zr；Ca、Sr、Ba、Mg部分置換Pb，顯著提高介電常數(shù)。第五十六頁，共八十八頁。 添加劑的種類與作用： La2O3、Nd2O3、Nb2O5、Ta2O5、Sb2O3、Bi2O3、ThO2、WO3：使陶瓷易于極化，壓電性相應(yīng)提

23、高，且隨時間的變化?。?Cr2O3、Fe2O3、CoO、MnO2：使矯頑場增加，極化困難，Cr2O3、U2O3會減小共振頻率隨溫度和時間的變化。 添加量以不能形成第二相為宜。第五十七頁，共八十八頁。第五十八頁，共八十八頁。第五十九頁，共八十八頁。Pb(Zr,Ti)O3壓電陶瓷存在四方鐵電相FT與菱面體鐵電體FR垂直相界MPB相界組成：Zr/Ti = 53/47相界組成的陶瓷易極化相界處介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小值。第六十頁，共八十八頁。PbTiO3- PbZrO3系晶格常數(shù)與組成的關(guān)系PbTiO3和PbZrO3二者之間可以形成無限固溶體準(zhǔn)同型相界有一定寬度，在該區(qū)中四方和菱

24、方相共存第六十一頁，共八十八頁。PZT陶瓷在MPB附近的介電與壓電性能 相界附近結(jié)構(gòu)活性大相界處兩相能量相近，外場易促進(jìn)相轉(zhuǎn)變 四方/菱方相共存，極化程度提高，壓電性能提高第六十二頁，共八十八頁。 PZT壓電陶瓷的制備原料的選擇粉體制備混料與塑化成型排塑燒結(jié)機(jī)械加工電極制備極化處理第六十三頁，共八十八頁。壓電陶瓷的工藝特點(diǎn)粉料合成第六十四頁，共八十八頁。2PbO-TiO2-ZrO2系統(tǒng)中各相與溫度的關(guān)系預(yù)燒的目的主要是使原料通過化學(xué)反應(yīng)生成 PZT預(yù)燒工序?qū)ψ詈鬅傻奶沾擅芏绕鹬饕臎Q定作用第六十五頁，共八十八頁。壓電陶瓷的燒結(jié)影響燒結(jié)質(zhì)量的幾個主要因素：燒結(jié)溫度與保溫時間提高燒結(jié)溫度和延長保

25、溫時間，促進(jìn)燒結(jié)和晶粒長大，前者影響顯著。過高燒結(jié)溫度造成密度下降（鉛揮發(fā)）燒結(jié)氣氛要求氧化氣氛，防止還原氣氛 800oC以上出現(xiàn) PbO 揮發(fā)問題降低壓電性能防止鉛揮發(fā)的措施： 配方中鉛過量，0.5-1.5% 埋粉密封燒結(jié)埋入同組分的粉體中 氣氛片放 PbZrO3氣氛第六十六頁，共八十八頁。組成對燒結(jié)的影響主晶相組成低熔點(diǎn)易燒結(jié)BaTiO3 熔點(diǎn)：1681oC，燒結(jié)溫度 1400oCPZT， 13001400oC， 1300oCPbTiO3， 1285oC， PbZrO3， 1570oC在 PZT 中，增加 Zr，難燒結(jié)第六十七頁，共八十八頁。 添加物影響：軟性（施主）添加物鉛空位加速離子擴(kuò)

26、散促進(jìn)燒結(jié)硬性（受主）添加物氧空位晶胞收縮降低離子擴(kuò)散降低燒結(jié)速度（等價取代）晶格畸變活化晶格促進(jìn)燒結(jié)液相促進(jìn)燒結(jié)第六十八頁，共八十八頁。 PZT壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝要點(diǎn)1、原料組成2、添加劑：改善材料性能和燒結(jié)。 軟性添加劑：提高彈性柔順系數(shù)，降低Qm值，提高介電常數(shù)，提高Kp，降低矯頑場，提高體積電阻率等。如La、Nb、Sb、Bi、Th、Ta、W等。 硬性添加劑：使介電損耗降低，矯頑場提高，提高Qm值，稍降低Kp值，減小體積電阻率等。如 K、NaA；Fe、Co、Mn、Ni、Mg、Al、Ga、In、Cr、ScB。 液相添加劑：降低燒結(jié)溫度，但燒結(jié)溫度范圍變窄。如MgO、MnO。第六十九頁，共八

27、十八頁。PZT壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝要點(diǎn)2、添加劑：改善材料性能和燒結(jié)。 軟性添加劑：提高彈性柔順系數(shù)，降低Qm值，提高介電常數(shù)，提高Kp，降低矯頑場，提高體積電阻率等。如La、Nb、Sb、Bi、Th、Ta、W等。 硬性添加劑：使介電損耗降低，矯頑場提高，提高Qm值，稍降低Kp值，減小體積電阻率等。如 K、NaA；Fe、Co、Mn、Ni、Mg、Al、Ga、In、Cr、ScB。 液相添加劑：降低燒結(jié)溫度，但燒結(jié)溫度范圍變窄。如MgO、MnO。 抑制晶粒長大的添加物：形成有限固溶體；隨燒結(jié)過程的進(jìn)行，晶格缺陷得到校正，溶解度降低，使已固溶的添加物在晶界析出，形成第二相，可抑制晶粒長大，提高材料的抗折強(qiáng)

28、度。如Fe3+、Al3+、Nb5+、Cr3+等。第七十頁，共八十八頁。PZT壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝要點(diǎn)3、燒結(jié)氣氛：氧化氣氛4、PbO揮發(fā)：采用密封法、埋入法、加氣氛片法等。 第七十一頁，共八十八頁。第七十二頁，共八十八頁。第七十三頁，共八十八頁。壓電陶瓷的極化處理極化：壓電陶瓷必須經(jīng)過極化后才有壓電性。極化就是在直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。極化電場E:第七十四頁，共八十八頁。電疇運(yùn)動電場/應(yīng)力-極化反轉(zhuǎn)極化(poling)過程:電場誘導(dǎo)自發(fā)極化定向排列-壓電陶瓷的應(yīng)用基礎(chǔ)電場誘導(dǎo)極化反轉(zhuǎn)-鐵電存儲/電光應(yīng)用第七十五頁，共八十八頁。極化處理四方晶系的陶瓷，理想的單疇化處理后，P3 = 0.83 Ps, 三角晶系，P3 = 0.87 Ps單疇化處理中非180o的疇轉(zhuǎn)向造成應(yīng)變，四方晶系的晶體中，沿電場方向的應(yīng)變?yōu)椋簒z = c/a - 1第七十六頁，共八十八頁。PZT陶瓷的改性等價離子取代Mg2+. Ca2