壓電材料與應(yīng)用

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(chēng)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(PVF2—PZT)。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(chǎng)）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(shí)，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(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；T3為應(yīng)力；D3為電位移,它是壓電介質(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(chǎng)（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。壓電材料性能指標(biāo)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)3、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm

壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，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(gè)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為諧振頻率時(shí)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壓電材料性能指標(biāo)4、頻率常數(shù)N

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=fr×l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=fr×D薄板厚度伸縮振動(dòng)Nt=fr×t細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng)N33=fr×l薄板切變K15振動(dòng)N15=fr×ltD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，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)工藝性差（粉化，PbO易揮發(fā)）工藝性好g33=33(10-3伏·米/牛)g33=11.4(10-3伏·米/牛)d33=56(10-12庫(kù)/牛)d33=191(10-12庫(kù)/牛)Kp=0.095Kp=0.354難極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性差Tc=490℃

Tc=120℃工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄PbTiO3陶瓷BaTiO3陶瓷一元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(chēng)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=0.10～0.40，Qm=500～3600,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)，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

↓

；ε增加↑，則tanδ增大↑；KP增加

↑，則熱穩(wěn)定性↓。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系壓電陶瓷四元系壓電陶瓷五元系壓電陶瓷Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3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.Bi1/2Na1/2TiO3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-xAINb2O6b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷

aBi4Ti3O12基無(wú)鉛壓電陶瓷

bMBi4Ti4O15基無(wú)鉛壓電陶瓷

cMBi2Nb2O9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）CBa2AgNb5O15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(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()QmPZT-4F15-60.62/34029.113200.351200F15-70.58/31028.012500.40750PZT-8FC-10.52/24025.110800.25/P-50.57/25025.711000.30800PS0.58/24025.810500.40200F30.55/30029.511500.38/SW20.590.47360

15000.341300SW30.590.49312

10500.51100PZT-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(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()d31QmPZT-5Sn-80.64/43034.714001.80

60PZT-5AS1-010.6650.515153019501.5519570PZT-5BS330.690.504902820001.7019573S340.730.5455030.521001.7022570S1-10.62/41024.419001.6015060S1-3D0.67/52024.220001.6020565PZT-5JSm-160.65/54022.227501.55

110PZT-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)主要用途：各種高溫傳感器,換能器材料性能Tc(℃)Ktd33(PC/N)ρ（g/cm3）ε33T/ε0

tanδ()QmBTC8400.27187.21300.12/BTS520/227.61400.60/PN15500.41746.02100.709PN24400.39955.83500.6025PN34100.401605.76000.80/PT-54900.40527.72101.01000高溫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發(fā)明了一種壓電陶瓷一次燒成工藝（國(guó)內(nèi)首創(chuàng)），制備的壓電材料達(dá)到了國(guó)外包套熱等靜壓工藝的致密度，成本不到熱等靜壓的1/10,性能甚至更高。美國(guó)CTS樣品（包套熱等靜壓）

S33樣品（一次燒成）普通燒成樣品壓電陶瓷制備壓電陶瓷顯微結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的各種電極制備及其優(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)：3~5KV/mm極化溫度：100~150oC極化時(shí)間：10～20min.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10～20千伏的高電壓。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。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