壓電材料最終版課件

二、壓電材料及其應用

二、壓電材料及其應用1主要內容壓電材料的定義壓電材料的分類壓電陶瓷的工藝壓電材料的應用壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀主要內容壓電材料的定義2一、壓電材料的定義

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電石英晶體材料一、壓電材料的定義

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)3壓電效應1880年，法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應。壓電效應1880年，法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)4壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其5二、壓電材料的分類

無機壓電材料有機壓電材料

換能器壓電材料二、壓電材料的分類無機壓電材料61.無機壓電材料壓電晶體：當你對晶體擠壓或拉伸時，它的兩端就會產(chǎn)生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產(chǎn)生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。

壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。1.無機壓電材料壓電晶體：當你對晶體擠壓或拉伸時，它的兩端就7用壓電晶體元件自制耳機用壓電晶體元件自制耳機8壓電陶瓷：一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料。壓電陶瓷泛指壓電多晶體。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。壓電陶瓷片壓電陶瓷：一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于9壓電材料最終版課件10壓電陶瓷的工藝

壓電陶瓷的工藝11一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。

二、混合磨細:目的是將各種原料混勻磨細,為預燒進行完全的固相反應準備條件.一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。

三、預燒：目的是在高溫下,各原料進行固相反應,合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結條件及最終產(chǎn)品的性能。

四、二次細磨:目的是將預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細,為成瓷均勻性能一致打好基礎。

五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。

一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材12六、成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。

七、排塑：目的是將制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結成瓷。此環(huán)節(jié)相當重要。

九、外形加工:將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被電極：在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化：使陶瓷內部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。十二、老化測試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。六、成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。13

相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩(wěn)定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形142.有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點。復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。2.有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄15三、壓電材料的應用壓電材料的應用領域可以分為兩大類：即振動能-電能換能器和超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅動器應用。三、壓電材料的應用壓電材料的應用領域可以分為兩大類：即振動能161.換能器

換能器是將機械振動轉變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵寗酉庐a(chǎn)生機械振動的器件。利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。超聲波傳感器1.換能器換能器是將機械振動轉172.壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變?yōu)闄C械能或機械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎，包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式。2.壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變?yōu)闄C械能或183.傳感器上的應用壓電式壓力傳感器壓電式加速度傳感器3.傳感器上的應用19壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。20

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類傳感器，在精密測量、自動化控制中起著重要的作用，在航天航空、汽車、冶金、化工等領域都得到廣泛的應用。陶瓷質電容式壓力傳感器是80年代中期問世的一種新型壓力傳感器，該傳感器是利用先進的電子陶瓷技術，集成電路技術和厚膜平面安裝電路技術，采用零力學滯后的陶瓷和陶瓷密封材料進行設計的一種干式壓力傳感器同以住的壓力傳感器相比：1、蠕變小、滯后差、反應速度快；2、有較強的抗沖擊、抗過載能力；3、精度高，溫度漂移?。?、抗干擾能力強，測量重復性強；5、耐溫、耐腐蝕性也有很大改善。

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類21陶瓷壓力傳感器陶瓷壓力傳感器22

壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號輸出信號大，較高的頻率響應，體積小，結構堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號輸出信號大，較高的23壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它244.在機器人接近覺中的應用一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運動做好準備工作；二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。超聲波流量傳感器壓電陶瓷晶片4.在機器人接近覺中的應用一，在接觸對象物體之前，獲得必要的25

超聲波是人耳聽不見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。超聲波是人耳聽不見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。超26四、壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀細晶粒壓電陶瓷PbTiO3系壓電材料壓電陶瓷-高聚物復合材料壓電性特異的多元單晶壓電體四、壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀細晶粒壓電陶瓷27細晶粒壓電陶瓷以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，。減小粒徑至亞微米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有好處，但同時也帶來了降低壓電效應的影響。細晶粒壓電陶瓷以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組28

為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當?shù)乃健，F(xiàn)在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術的發(fā)展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發(fā)仍是近期的熱點。壓電材料最終版課件29壓電材料最終版課件30PbTiO3系壓電陶瓷PbTiO3（鈦酸鉛）系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)品難的問題，抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。目前該材料的發(fā)展和應用開發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。PbTiO3系壓電陶瓷PbTiO3（鈦酸鉛）系壓電陶瓷具最適31壓電陶瓷-高聚物復合材料無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料，兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。壓電陶瓷-高聚物復合材料無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓32二、壓電材料及其應用

二、壓電材料及其應用33主要內容壓電材料的定義壓電材料的分類壓電陶瓷的工藝壓電材料的應用壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀主要內容壓電材料的定義34一、壓電材料的定義

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電石英晶體材料一、壓電材料的定義

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)35壓電效應1880年，法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應。壓電效應1880年，法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)36壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其37二、壓電材料的分類

無機壓電材料有機壓電材料

換能器壓電材料二、壓電材料的分類無機壓電材料381.無機壓電材料壓電晶體：當你對晶體擠壓或拉伸時，它的兩端就會產(chǎn)生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產(chǎn)生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。

壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。1.無機壓電材料壓電晶體：當你對晶體擠壓或拉伸時，它的兩端就39用壓電晶體元件自制耳機用壓電晶體元件自制耳機40壓電陶瓷：一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料。壓電陶瓷泛指壓電多晶體。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。壓電陶瓷片壓電陶瓷：一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于41壓電材料最終版課件42壓電陶瓷的工藝

壓電陶瓷的工藝43一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。

二、混合磨細:目的是將各種原料混勻磨細,為預燒進行完全的固相反應準備條件.一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。

三、預燒：目的是在高溫下,各原料進行固相反應,合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結條件及最終產(chǎn)品的性能。

四、二次細磨:目的是將預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細,為成瓷均勻性能一致打好基礎。

五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。

一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材44六、成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。

七、排塑：目的是將制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結成瓷。此環(huán)節(jié)相當重要。

九、外形加工:將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被電極：在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化：使陶瓷內部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。十二、老化測試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。六、成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。45

相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩(wěn)定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形462.有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點。復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。2.有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄47三、壓電材料的應用壓電材料的應用領域可以分為兩大類：即振動能-電能換能器和超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅動器應用。三、壓電材料的應用壓電材料的應用領域可以分為兩大類：即振動能481.換能器

換能器是將機械振動轉變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵寗酉庐a(chǎn)生機械振動的器件。利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。超聲波傳感器1.換能器換能器是將機械振動轉492.壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變?yōu)闄C械能或機械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎，包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式。2.壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變?yōu)闄C械能或503.傳感器上的應用壓電式壓力傳感器壓電式加速度傳感器3.傳感器上的應用51壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。52

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類傳感器，在精密測量、自動化控制中起著重要的作用，在航天航空、汽車、冶金、化工等領域都得到廣泛的應用。陶瓷質電容式壓力傳感器是80年代中期問世的一種新型壓力傳感器，該傳感器是利用先進的電子陶瓷技術，集成電路技術和厚膜平面安裝電路技術，采用零力學滯后的陶瓷和陶瓷密封材料進行設計的一種干式壓力傳感器同以住的壓力傳感器相比：1、蠕變小、滯后差、反應速度快；2、有較強的抗沖擊、抗過載能力；3、精度高，溫度漂移??；4、抗干擾能力強，測量重復性強；5、耐溫、耐腐蝕性也有很大改善。

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類53陶瓷壓力傳感器陶瓷壓力傳感器54

壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號輸出信號大，較高的頻率響應，體積小，結構堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號輸出信號大，較高的55壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它564.在機器人接近覺中的應用一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運動做好準備工作；二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。超聲波流量傳感器壓電陶瓷晶片4.在機器人接近覺中的應用一，在接觸對象物體之前，獲得必要的57

超聲波是人耳聽不見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。超聲波是