《《壓電陶瓷》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《壓電陶瓷》PPT課件.ppt（53頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、PTC特性體現(xiàn)出哪種效應 ？ 其與什么性質相關 ？ PTC特性體現(xiàn)出哪種效應 ？ 其與什么性 質相關 ？ 答： PTC特性體現(xiàn)出界面效應 。 PTC特性與材料與晶界有關 ， 即鐵電性 相關 。 第六章 壓電陶瓷 一 、 壓電陶瓷 二 、 透明電光陶瓷 一 、 壓電陶瓷 1.1 概述 1.2 主要參數(shù) 1.3 鉛基壓電陶瓷 1.4 無鉛壓電陶瓷 1.1 概述 正壓電效應：在 沒有對稱中心 的晶體上施加機械 作用時 ， 發(fā)生與機械應力 成比例 的介質極化 ， 同 時在晶體的兩端面出現(xiàn)正負電荷 。 逆壓電效應：當在晶體上施加電場時 ， 則產生與 電場強度成比例的變形或機械應力 。 正 、 逆壓電效應

2、統(tǒng)稱為壓電效應 。 晶體的這種性質稱為晶體的壓電性 。 具有壓電效應的材料稱為壓電材料 壓電材料能實現(xiàn)機 電能量的相互轉換 。 壓電效應的可逆性 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應 ， 但壓電 效應十分微弱 。 隨著對材料的深入研究 ， 發(fā)現(xiàn)石 英晶體 、 鈦酸鋇 、 鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的 壓電材料 。 石英晶體化學式為 SiO2， 是單晶體結構 。 圖 （ a） 表示了天然結構的石英晶體外形 ， 它是 一個正六面體 。 石英晶體各個方向的特性是 不同的 。 其中縱向軸 z稱為光軸 ， 經(jīng)過六面體 棱線并垂直于光軸的 x稱為電軸 ， 與 x和 z軸同 時垂直的軸 y稱為機械軸 。 通常把

3、沿電軸 x方 向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為 “ 縱 向壓電效應 ” ， 而把沿機械軸 y方向的力作用 下產生電荷的壓電效應稱為 “ 橫向壓電效 應 ” 。 而沿光軸 z方向的力作用時不產生壓電 效應 。 (a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 z x y o x z y o b z o x a c y ( a ) ( b ) ( c ) 當外力 F=0時 ， 壓電陶瓷表面存在一層表面電 荷 ， 其大小與壓電陶瓷的束縛電荷相等 ， 符 號與束縛電荷相反 ， 因而晶體對外不顯示電 性 。 在外力 F的作用下 ， 壓電陶瓷產生形變 ， 晶體 的極化強度發(fā)生變化 ， 表面束縛電荷變

4、化 ， 晶體對外顯示電性壓電效應 。 在壓電陶瓷上加上電場 ， 設電場方向與極化 方向相同 ， 則晶體的極化加強 ， 晶體沿極化 方向伸長 ， 產生了形變 逆壓電效應 。 若加 上反向場強 ， 則晶體沿極化方向縮短；若加 上交變電場 ， 則晶體產生振動 。 (a) 不受力時； (b) x軸方向受力 (縱向壓電效應 ) ； (c) y軸方向受力 (橫向壓電效應 ) 晶體具有壓電性的必要條件是晶體 不具有對 稱中心 。 所有 鐵電單晶 都具有壓電效應 。 對于 鐵電陶瓷 來說 ， 雖然各晶粒都有較強的 壓電效應 ， 但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī) 則 ， 各方向幾率相同 ， 使 P=0， 因而不顯示

5、 壓電效應 ， 故必須經(jīng)過 人工預極化 處理 ， 使 P0， 才能對外顯示壓電效應 。 陶瓷的壓電效應來源于材料本身的鐵電性 ， 所有壓電陶瓷也應是鐵電陶瓷 。 陶瓷的預極化示意圖 分類： 壓電單晶 壓電陶瓷 壓電聚合物 壓電復合材料 應用舉例： 水聲技術：水聲換能器 超聲技術：超聲清洗 、 超聲乳化 、 超聲分散 高電壓發(fā)生裝置：壓電點火器 、 引燃引爆 、 壓 電變壓器 電聲設備：麥克風 、 揚聲器 、 壓電耳機 傳感器：壓電地震儀 壓電驅動器 壓電陶瓷的晶體結構： 鈣鈦礦結構 鎢青銅型結構 鈮酸鋰型結構 鉍層狀結構 鈣鈦礦結構 ABO3： A： 1， 2， 3。 如 Na ， K ， B

6、a2+， La3+ B： 5， 4， 3。 如 Nb5+， Ti4+， Fe3+ 鎢青銅型結構 BO6氧八面體以 頂角相連構成骨架 。 B離子為 Nb、 Ta、 W等 。 BO6骨架間存在 三種空隙： A1（ 較 大 ） 、 A2（ 最大 ） 、 C（ 最小 ） 氧八面體中心因 所處位置的對稱性 不同可能為 B1和 B2 填滿型與非填滿 型 。 鎢青銅結構在 （ 001)面上的投影 鈮酸鋰型結構 氧八面體以共面形式重疊 Li位于氧八面體的公共面 Nb位于氧八面體中心 極化時 ， Li、 Nb偏離中心位置 ， 沿 c軸出現(xiàn)電偶極矩 順電相 鐵電相 鉍層狀結構 Bi4Ti3O12 小 高品質因數(shù)

7、高穩(wěn)定性 ， 高居里溫度 對稱性低 由于存在 (Bi2O2)2+的滑移面 (001)， 且熔點低 ， 易于在壓力作用下發(fā) 生大的蠕變 。 燒結溫度低： 10501200 燒結性能好，易得到致密燒結體 v高， 1011 1013cm 晶粒均勻，大小為 510m 抗電強度高：約 45KV/mm 1.2 主要參數(shù) 作為介電材料 ， 可用介電系數(shù) ， 介電損耗 tg， 絕緣電阻率 和抗電強度 Eb等表征 。 作為 壓電材料 ， 還必須補充一些參數(shù)： 壓電系數(shù) d 壓電電壓系數(shù) g 機電耦合系數(shù) k 機械品質因素 Qm 頻率系數(shù) N 1.2.1 壓電系數(shù) d 單位機械應力 T所產生的極化強度 P： （

8、C/N） 或：單位電場強度 V/x所產生的應變 x/x： （ m/V） 常用的為橫向壓電系數(shù) d31和縱向壓電系數(shù) d33（ 腳 標第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位 數(shù)字表示機械振動方向 ） 。 反映應力 （ 應變 ） 和電場 （ 電位移 ） 間的關系 TPd / VxxVxxd /)/()/( 1.2.2 壓電電壓系數(shù) g 單位應力 T所產生的電場強度 E；或單位電荷所產 生的形變 。 （ Vm/N） d和 g實質上是相同的 ， 只是在不同的角度反映了 材料的壓電性能 ， d用得較為普遍 ， g常用于接收 型換能器 、 拾音器 ， 高壓發(fā)生器等場合 。 TEg / 1.2.3 機電耦

9、合系數(shù) k 或 k是壓電材料進行機械能 -電能轉換的能力反映 。 它與材料的壓電系數(shù) d、 介電系數(shù) 和彈性常數(shù)等 有關 ， 是一個比較綜合的參數(shù) 。 機電耦合系數(shù)反 映了機械能和電能之間的轉換效率 ， 由于轉換不 可能完全 ， 總有一部分能量以熱能 、 聲波等形式 損失或向周圍介質傳播 ， 因而 k總是小于 1的 。 不同材料的 k值不同；同種材料由于振動方式不 同 ， k值也不同 。 輸入的電能 電能轉變所得的機械能2k 輸入的機械能 機械能轉變所得電能2k 常用的有橫向機電耦合系數(shù) k31、 縱向機電耦合系 數(shù) k33、 以及沿圓片的半徑方向振動的平面機電耦 合系數(shù) kp（ 或稱徑向機電

10、耦合系數(shù) kr） 。 Z 極 化 方 向 振 動 方 向 柱狀振子 K33（縱向機電耦合系數(shù)） Z 振動方向 Y 條狀振子 K31（橫向機電耦合系數(shù)） X 極 化 方 向 Z 極 化 方 向 圓片振子 Kp（平面機電耦合系數(shù)） Kr（徑向機電耦合系數(shù)） 1.2.4 機械品質因素 Qm 逆壓電效應使壓電材料產生形變 ， 形變又會產生 電信號 ， 如果壓電元件上加的交流信號頻率與元 件 （ 振子 ） 的固有振動頻率 fT相等時 ， 便產生諧振 。 振動時晶格形變產生內摩擦 ， 而損耗一部分能量 （ 轉換成熱能 ） 。 為了反映諧振時的這種損耗程 度而引入 Qm這個參數(shù) ， Qm 越高 ， 能量的損

11、耗就 越小 。 Qm 的大小以與相應的諧振方式有關 ， 無特 別說明時表示平面 （ 或徑向 ） 振動的機械品質因 素 。 在濾波器 、 諧振換能器 、 壓電音叉等諧振子中 ， 要求高的 Qm 值 。 耗的機械能每一諧振周期振子所消 能諧振時振子儲存的機械2 mQ 1.2.5 頻率系數(shù) N 壓電振子的諧振頻率 f0與振動方向上線度的乘積。 只與材料性質相關，而與尺寸因素無關。 鐵電單晶具有較高的壓電效應，但工藝復雜，不 易加工成各種形狀，因而不易大量生產，加工成 本也很高。 鐵電陶瓷易加工生產，成本低，且能采用摻雜改 性。缺點：存在粒界，氣孔及其它缺陷，均勻性 及機械強度不夠理想，電損耗較大，妨

12、礙了壓電 陶瓷在高頻率中的使用。 LfN 0 1.3 鉛基壓電陶瓷 1.3.1 單元系 （ 1） PbTiO3： 鈣鈦礦結構鐵電體 ， Tc高 ， 490 ； 各向異性大 （ c/a 1.063） ， 晶界能高 ， 難以制 備致密 、 機械強度高的陶瓷； 矯頑場強較大 ， 預極化困難 。 提高極化溫度有利 于極化 ， 但抗電強度下降 ， 易擊穿 。 摻入少量稀土 、 NiO、 MnO2等 ， 可促進燒結； 晶粒大小與機電耦合系數(shù) k有關 。 BaTiO3壓電性好 ， 工藝性好 ， 但致命弱點是工作溫區(qū)窄 （ 0120 ） ， 且各壓電性能隨溫度變化很大 。 PbTiO3的工 作溫度區(qū)寬 ， 性

13、能更穩(wěn)定 。 PbTiO3陶瓷的介電系數(shù)小 ， 熱釋電系數(shù)大 ， 接近于 60C/cm2K ， 居里點高 ， 抗輻射性能好 ， 是相當理想的熱 釋電探測器材料 。 BaTiO3系與 PbTiO3系壓電陶瓷比較 BaTiO3陶瓷 PbTiO3陶瓷 工作溫區(qū)窄 （ Tc=120 ） 工作溫區(qū)寬 （ Tc=490 ） 易極化 難極化 熱穩(wěn)定性差 熱穩(wěn)定性好 =1900 =190 平面機電耦合系數(shù) Kp=0.354 平面機電耦合系數(shù) Kp=0.095 縱向壓電系數(shù) d33=191（ 10-12庫 /牛 ） 縱向壓電系數(shù) d33=56（ 10-12庫 /牛 ） 縱向壓電電壓系數(shù) g33=11.4（ 10

14、-3 伏 米 /牛 ) 縱向壓電電壓系數(shù) g33=33（ 10-3 伏 米 /牛 ) 工藝性好 工藝性差 （ 粉化 ， PbO易揮發(fā) ） （ 2） PbNb2O6： 主要用于超聲缺陷檢測 、 人體超身診斷及水聽器等 。 鎢青銅結構 （ BO6氧八面體以頂角相連構成骨架 ） ， Tc高 （ 570 ） ， 壓電系數(shù)的各向異性大 ， （ 縱向 /橫向 ） d33/d3110， 機械品質因素特別低 （ Q11） 。 1.3.2 二元系 鉛基二元系固溶體壓電陶瓷 PbZrO3-PbTiO3 （ PZT ） 、 各項壓電性能和溫度穩(wěn)定性等均大 大優(yōu)于 BaTiO3、 PbTiO3壓電陶瓷 ， 廣泛應用于

15、水 聲 、 電聲和通訊濾波器件 。 （ 1） PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結構： PbZrO3和 PbTiO3的結構特點比較： PbZrO3和 PbTiO3的結構相同 ， Zr4+與 Ti4+的半徑相 近 ， 故兩者可形成無限固溶體 ， 可表示為 Pb(ZrxTi1-x)O3， 簡稱 PZT瓷 。 PbZrO3 PbTiO3 結構 鈣鈦礦結構 鈣鈦礦結構 Tc 230 （立方順電） 490 （正交晶系） 類別 反鐵電體 鐵電體 Tc c/a1（ 1.063） Tc 立方順電相 （ 2） PZT瓷的摻雜改性： 為了滿足不同的使用目的 ， 需要具有各種性 能的 PZT壓電陶瓷 ， 為此可以

16、添加不同的離子來 取代 A位的 Pb2+離子或 B位的 Zr4+、 Ti4+離子 ， 從而 改進材料的性能 。 其它取代改性 硬性取代改性 軟性取代改性 異價取代 等價取代 的改性分為：P ZT 等價 A位取代 等價取代是指用 Ca2+、 Sr2+、 Mg2+等二價離子取代 Pb2+， 結果： ， 平面機電耦合系數(shù) KP， 壓電系數(shù) d， 從而 提高 PZT瓷的壓電性能 。 上述離子取代 Pb2+后 ， 晶體結構并未發(fā)生變化 ， 仍為鈣 鈦礦型結構 ， 但出現(xiàn)了晶格畸變 ， 晶格自由能增加 ， 電 疇轉向激活能減小 ， 在人工預極化處理時 ， 有利于 90 疇轉向與保留 ， 故 ， KP， d

17、。 另外 ， Sr2+取代 Pb2+后 ， Tc， 也使常溫下的 。 由于一個取代離子往往影響周 圍 103個晶胞 ， 因而加入 510mol%的添加物就足以影響 整個晶體了 。 過多的添加物往往會向晶界偏析 ， 且會使 晶體結構向立方順電相轉變 。 異價取代 軟性取代改性 （ 高價缺位取代 ） 軟性取代是在 PZT陶瓷中摻入電價比 Pb2+高的 La3+、 Bi3+、 Sb3+等離子或電價比 Zr4+、 Ti4+高的 Nb5+、 Ta5+、 Sb5+、 W6+等離子 。 經(jīng)取代改性后的 PZT陶瓷的矯頑場強 EC， ， 平面機電耦合系數(shù) KP， 介電損耗 tg， 機械品質因 素 Qm， 抗老

18、化性 ， 絕緣電阻率 V。 所謂 “ 軟 ” 是指 加入這些添加物后能使矯頑場強 EC減小 ， 因而在電場或 應力作用下 ， 預極化與去極化均容易 ， 材料性質變 “ 軟 ” 。 一般軟性添加劑的量 1wt%， 過多將改變鈣鈦礦結構 。 異價取代 硬性取代改性 （ 低價取代 ） 硬性取代是在 PZT陶瓷中摻入電價比 Pb2+低的 K+， Na+等 離子或電價比 Ti4+、 Zr4+低的 Fe2+、 Co2+、 Ni2+、 Cr3+等離 子 。 取代后 PZT陶瓷的矯頑場 EC， ， 平面機電耦合系數(shù) KP， 介電損耗 tg， 機械品質因素 Qm， 抗老化性 ， 絕 緣電阻率 V。 所謂的 “

19、硬 ” 是指加入這些添加物后能使 矯頑場強 EC增大 ， 因而在電場或應力作用下 ， 預極化與 去極化均更困難 ， 材料性質變 “ 硬 ” 。 硬性添加劑固溶度有限 ， 多余部分向晶界偏析 ， 可抑制 晶粒生長 ， 使晶粒細化 ， 材料致密 ， 從而機械品質因素 Qm 。 其它取代改性 軟硬兼施 PZT中加入 W（ 軟 ） 、 Mn（ 硬 ） 可使平面機電耦合系 數(shù) KP、 機械品質因素 Qm 軟硬兼優(yōu)； PZT中加入 Nb2O5（ 軟 ） 、 Al2O3（ 硬 ） 軟硬抵消 。 （ 3） 常用 PZT瓷料 由于一些性能往往是互相克制的 ， 如機械品質因素 Qm則平 面機電耦合系數(shù) KP；介電

20、系數(shù) 則介電損耗 tg；平面機 電耦合系數(shù) KP則熱穩(wěn)定性 ， 因此選用材料時應全面考慮 ， 適當折中 。 通過在 PZT的基礎上再固溶另一種組分更復雜的復合鈣鈦化 合物而形成的三元系壓電瓷以達到更好的性能 。 1.3.3 三元系 （ 1） 所謂三元系壓電陶瓷 ， 是在 PZT的基礎上再添 加第三元復合鈣鈦礦型物質 (A,A)(B,B)O3而 組成的 。 在實際大多數(shù)多元系壓電陶瓷中 ， A位 元素仍是鉛 ， 所改變的只是處于八面體中的 B位 的元素 。 因此：在鈣鈦礦結構的三維八面體網(wǎng)中 ， 在相互固溶的情況下 ， 八面體的中心將有四種或 更多電價不一定為 4的元素 （ 包括 Zr和 Ti）

21、 統(tǒng)計地 均勻分布 ， 改變其元素種類與配料 ， 就可調整 、 優(yōu)選出一系列具有特殊性能的壓電陶瓷 。 （ 2） 特性： 由于第三相的出現(xiàn) ， 使可供選擇的組成范圍更為寬廣 ， 在 PZT中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較 大程度地滿足 。 均勻致密，氣孔率小 抑制局部晶粒過分長大 促進燒結進行 含鉛量減少鉛揮發(fā)，較好控制燒結溫度低 粒過分長大異相物質可抑制局部晶 形成固溶體時自由能 最低共熔點 多種氧化物的存在 以 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系為例 ， 三者能完全 固溶 ， 且具有三種晶型 。 富 Zr區(qū)為三方鐵電體 FR， 富 Ti區(qū) 為四方鐵

22、電體 FT， 富 Nb、 Mg區(qū)為假立方鐵電體 FPC。 隨著 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加 ， 在室溫下將出現(xiàn)兩條準同 形相界 。 實驗發(fā)現(xiàn) ， 當成分在準同形相界附近時都具有特 別突出的壓電性能 。 因此在 PTZ系列中只有當 Zr： Ti=53： 47時的 “ 一個點 ” 附近可供選擇 。 而在 PCM系列中當 Zr： Ti=4454整根準同形相界附近 ， 都具有這種由于相重疊而 引起的突出壓電性能 ， KP、 特性出現(xiàn)不連續(xù)的成分比 。 1.4 無鉛壓電陶瓷 BaTiO3基或 Bi0.5Na0.5TiO3基 ， 鈮酸鹽系 ， 鉍 層狀結構 。 壓電陶瓷具有較大的機電耦合

23、系數(shù) 、 轉換效率高 、 形狀和尺寸不受限制 ， 工藝簡單 ， 成本低廉 。 聲表面波器件對壓電陶瓷的要求： 高致密度 、 小的氣孔直徑 、 小晶粒尺寸 、 高機械品質因 素 （ Qm） ； 較大的聲表面波有效機電耦合系數(shù) （ k） ； 小 ， 以提高聲表面波器件的聲阻抗； 表面波聲速的溫度系數(shù)和頻率老化率?。?均勻性好 、 重復性好 、 成本低廉 。 二 、 透明電光陶瓷 2.1 概念 2.2 鐵電陶瓷的電光特性 2.3 常用電光陶瓷材料 2.4 電光陶瓷工藝與要求 2.1 概念： 具有多晶結構 ， 但不是多相的陶瓷 ， 并且具有特 殊的晶界 ， 有相當高的透明度 ， 故稱為透明陶瓷 。 （

24、 基本無氣相 ， 瓷體密度接近或達到理論值 ， 且 經(jīng)過表面研磨 ， 拋光 ） 具有一定的光學性能 （ 粒 界為一層極其緊湊的 ， 相當薄的過渡層 ） ， 介于 單晶與多晶之間的材料 。 透明的鐵電陶瓷通過電場作用就可改變其光學性 能 ， 稱為透明電光陶瓷 。 2.2 鐵電陶瓷的電光特性 光線在介質中的傳播速度是與介質的 的平方根 成反比 。 而鐵電體中 的大小可以通過外電場強 度的控制來達到改變 改變介質的折射率 。 設外加偏置電場為 E0， 折射率為 n 由外電場引起晶體折射率的變化 ， 稱為電光效應 。 從本質上講 ， 透明陶瓷的電疇狀態(tài)決定光學性質 ， 而電疇狀態(tài)又受控于電場 ， 所以

25、其光學性質是 “ 電控 ” 的 ， 存在三種效應：電控雙折射 ， 電控 光散射 ， 電控表面形變 。 20000 bEaEnn 2.2.1 電控雙折射 細晶陶瓷 （ 2m， 電疇尺寸較小 ， 故疇壁對光的 散射作用很弱 ， 主要為雙折射效應 。 光軸 o光 e光 當一束自然光穿過方解 石等晶體時 ， 分成兩條 折射光的現(xiàn)象稱為雙折 射現(xiàn)象 。 白紙上涂一個黑點，將方 解石放在紙上，可觀察到 兩個黑點，旋轉方解石， 一個黑點不動，另一個黑 點旋轉。 這兩條光線都是偏振光。 雙折射現(xiàn)象 外電場改變 徑向極化強度 （ Pr） 改變 （ Pr方向 為光軸 ， PLZT極化后有統(tǒng)一的光軸 ） 雙折射的

26、變化 產生干涉現(xiàn)象 。 因此 ， 通過控制電場的變 化 ， 借助于一定的裝置 ， 可使單色光產生從透過 量最大到完全截止 （ 消光 ） 的變化 。 可制成電控光閥 ， 電控光譜濾色器 。 2.2.2 電控光散射 粗晶陶瓷 （ 2 3m） ， 電疇尺寸大 ， 疇壁對于 橫向 （ 和疇壁切線相交的方向 ， 不一定為疇壁的 法向方向 ） 入射光 ， 將產生明顯的散射作用 ， 因 而使透過光消偏振 ， 掩蓋了雙折射效應 。 故外電 場改變 電疇取向改變 控制光散射變化 光透 過率變化 。 可制成電控光閥 ， 圖像儲存和顯示器件 。 2.2.3 電控表面形變 與晶粒大小無關 。 改變外電場 徑向極化強度

27、 （ Pr） 變化 表面處凹凸形變 （ 電疇的局部反轉 結晶軸向的局部改變 ） 電控表面形變 。 可制成圖像儲存 ， 記憶等器件 。 2.3 常用電光陶瓷材料 PLZT瓷已達到商品化水平 。 鑭 （ La） 在 PZT中的固溶度較高 ， 故 PLZT可制成 系列電光性能不同的透明陶瓷 。 2.4 電光陶瓷工藝與要求 2.4.1 電光陶瓷要求 具有很高的致密度 ， 體積密度大于 99%理論密度 。 （ 氣孔是光散射中心 ） 化學組成均勻 。 （ 否則介電系數(shù)波動過大 ， 導致 光波的傳播速度 、 折射率變化大 ） 表面具有足夠的光潔度 。 （ 否則表面反射 ） 2.4.2 制備工藝 液相化學共沉法制 PLZT（ 高純 、 超細 、 化學計量 比準確 、 化學組成均勻 ） ； 熱壓燒法 （ 通氧熱壓燒結 高致密度 ， 熱等靜壓 燒結 ） ； 表面研磨 足夠的光潔度 。 壓電陶瓷為什么要預極化