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压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用
压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用

一. 概述

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似(原料粉碎、成型、高温烧结)因而得名。

某些各向异性的晶体,在机械力作用下,产生形变,使带电粒子发生相对位移,从而在晶体表面出现正负束缚电荷,这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时,晶体会产生几何形变。 1940年以前,只知道有两类铁电体(在某温度范围内不仅具有自发极化,而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体):一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐;一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性,技术上有使用价值,但有易溶解的缺点;后者要在低温(低于—14 C)下才有压电性,工程使用价值不大。

1942-1945年间发现钛酸钡(BaTiO)具有异常高的介电常数,不久又发现它具有压电性,BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料,此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷,并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器,日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。

1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统,这是一个划时代大事,使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷,使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今,压电陶瓷的应用,上至宇宙开发,下至家庭生活极其广泛。

我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期,比国外晚10年左右,目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量,有不少材料已达到或接近国际水平。

二. 压电陶瓷压电性的物理机制

压电陶瓷是一种多晶体,它的压电性可由晶体的压电性来解释,晶体在机械力作用下,总的电偶极矩(极化)发生变化,从而呈现压电现象、因此压电性与极化,形变等有密切关系。

1. 极化的微观机理

极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。

(1)电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下,带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。

(2)离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移,从而产生电偶极矩。

(3)取向极化——组成电介质的有极分子,有一定的本征(固有)电矩,由于热运动,取向无序,总电矩为零,当外加电场时,电偶极矩沿电场方向排列,出现宏观电偶极矩。

对于各向异性晶体,极化强度与电场存在有如下关系

m,n=1,2,3

式中为极化率,或用电位移写成:

2. 压电效应

(1)正压电效应

压电晶体在外力作用下发生形变时,正、负电荷中心发生相对位移,在某些相对应的面上产生异号电荷,出现极化强度。这种没有电场作用,由形变产生极化的现象称为正压电效应。

对于各向异性晶体,对晶体施加应力;(相应的应变)时,晶体将在X,Y,Z三个方向出现与成正比的极化强度,即:

式中,分别称为压电应力常数与压电应变常数。

(2)逆压电效应

当给晶体施加一电场时,不仅产生了极化,同时还产生形变,这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体受电场作用时,在晶体内部产生了应力(压电应力),通过应力作用产生压电应变。存在如下关系

式中和分别为d和e的转量矩。

3.压力效应的机理

压电效应首先是在水晶晶体上发现的,现在我们以水晶晶体为模型,说明产生压电效应的物理机理。

当不施以压力时,水晶晶体正、负电荷中心如图5-1(a)分布,设这时正、负电荷中心重合,整个晶体的总电矩等于零,晶体表面不荷电(不呈压电性)。当沿x方向施加压力时,晶体发生形变,正、负电荷中心分离,即电偶极发生变化,从而在X面上出现电荷积累,如图5-1(b)所示。

当沿Y轴方向施加压力时,晶体形变正、负电荷中心的分布如图5-1(c)此示,这时总的电偶极距发生变化并在X面上引起与前面相反符号的电荷积累。显然,用伸拉力代替前面的压缩力,则表明电荷的符号反过来。总之,对具有压电性的晶体施加压力时,可能引起压电效应。

三. 压电陶瓷的应用

压电陶瓷由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。一般可将这些应用分成两大类,即作为压电振子使用。作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数Q(Q

表示振动转换时材料内部能量消耗的程度);做为换能器使用时要求有较高的机械藕合系数K(=机械转变为电能/输入机械能,或=电能转变为机械能

/输入电能)和较大的相对介电常数下面给出压电陶瓷的应用。

1. 压电陶瓷点火器

这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置,是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡(BaTiO)陶瓷的压电效应进行点火,但这种材料着火率不高,噪音大,1962年开始试用锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷制作点火器,这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以及军事方面,用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。

(1)基本原理

点火器工作过程分高压产生、放电点火和点燃可燃气体三个阶段。

高压产生——以圆柱形压电陶瓷元件为例,如图5-2所示。当机械力F作用于圆柱体时,晶体发生畸变,导致晶体中正负电荷中心偏移,从而在圆柱体上下表面出现自由电荷大量积聚,产生高压输出。输出电压为:

式中 A——圆柱体截面积;

h——圆柱体高度;

——压电电压常数。

放电点火——把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中,并留一个适当间隙,当电压升高到该间隙的放电电压时,间隙中就产生放电火花。

点燃可燃气体——一般燃料气体不易燃烧,所以一般采用易汽化的乙烷。为延长放电时间防止火花过快熄灭,以提高点燃率,可在放电端串入一个适当电阻。

(2)点火器结构和工作原理

点火器种类繁多,现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理。

如图5-3所示的点火器,可固定在家用灶具上点燃煤气,转动凸轮开关1,利用凸轮凸出部分推动冲击块3,并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用,冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力,便在压电元件两端产生高压,并从中间电极5输出高压,产生电火花点燃气体。

2.压电变压器

从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低(只有50—60倍)。输出电压3000伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现,升压比提高到300——500倍,逐步推广应用于电视机、静电复印机、负离子发

生器中做为高压电源。

(1)基本原理`

输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能,再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换(由低阻抗变成高阻抗),从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。

如图5-4所示,整个陶瓷片分成两部分,左部为输入端(又称驱动部分),

上、下面都有烧渗的银电极,沿厚度方向极化,右部为输出端(又称发电部分),

其右端面有烧渗的银电极。沿长度方向极化。当输入端加上交变电压时,由于

逆压电效应,瓷片产生沿长度方向的伸缩振动,将输入电能转变为机械能;而

发电部分则通过正压电效应,将机械能转变为电能,从输出端输出电压。无负

载时,开路升压比为:

式中—材料的机械品质因数;、—材料的纵、横向机电耦合系数;L—发电部分的长度;T—变压器厚度。

(2) 压电变压器的应用

压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况,具有输出电压高,重量轻,体积小,无泄漏磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出,根据横—纵变压器的输出电压与长度成正比,越靠近发电部分端头,电压越高,我们可在发电部分的不同位置制作电极作为抽头,从而获得不同的电压输出。如图5-5所示。

3. 压电陶瓷拾音器和扬声器

压电陶瓷在电声设备上有广泛应用,例如压电陶瓷拾音器、扬声器。送受话器等都是利用压电陶瓷的换能性质(机械能转变为电能或反过来)来研制的。(1)双膜片型振子

电声设备要求机械阻抗低,能与音源或振动源相正配,双膜片型压电振子能符合这些要求。它是由两片长度伸缩的压电陶瓷片粘合而成,当一片伸长时,另一片缩短,整体做弯曲运动。

图5-6给出双膜片型振子的工作原理,当一片有一定厚度的压电陶瓷受力弯

曲时,在其厚度的一侧为伸长,另一侧为压缩,此时陶瓷片内部将产生电荷,但由于整个膜片极化方向相同,而上侧为伸长,下侧为压缩,因而引起电偶极矩相反,上下侧电荷符号相同,故不存在电位差,如图5-6(a)所示。如改用两片叠合的双膜片结构,当受力弯曲时,则可获得电压输出。图5-6(b)使用两片极化方向相反的膜片串联连接,受力时上面一片伸长,下面一片压缩。由于极化方向相反,因而双膜片上下两面带符号相反电荷,可获得电压输出。图5-6(c)是用极化方向相同的两片膜片并联连接叠合而成,也可获得输出电压。(2)压电陶瓷拾音器结构和工作原理

图5-7是双声道陶瓷拾音器结构图。其工作原理是:在唱机放音时,拾音器的针尖沿唱片槽(其左右槽壁还刻有振动信号)移动,产生合成的机械振动,

同时由耦合件将该振动分解成两个互相垂直分量,然后再将分量分别传入两个传感器(压电传感器常用双膜片型)的端部,使他们产生弯曲振动,最后通过正压电效应转换并复原为左右声道的音频信号。拾音器中的橡胶固定件、橡胶阻尼件、橡胶耦合件及针杆橡胶件的软硬、弹性和撑劲及其相对位置对器件的灵敏度、频率响应等有极大影响。

(3)压电陶瓷扬声器结构和工作原理

压电陶瓷扬声器是一种结构简单、轻巧的电声器件,具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低,耗电少、修理方便、便于大量生产等优点。

其结构图如5-8所示。其驱动系统为压电陶瓷双膜片,振动系统为纸盆,耦合元件把驱动系统的能量有效的传递给振动系统。工作时,加在压电陶瓷双膜片片上的电能转换为机械能,通过耦合元件传给纸盆使之振动发声。压电双膜片具有较高阻抗,构成电压驱动,力F和电压V 之间的关系为F=KV,K为比例系数,设包括辐射阻抗在内的振动机械阻抗为Z,则振动速度为

V=F/Z

可以得到高振动膜中心r处的声压P

式中 f——频率

——介质密度

S——锥体有效面积

此外,还可根据压电陶瓷压电效应制成其它的电——声能量转换器,如送、受话器、蜂鸣器等。

(4)压电陶瓷风扇和继电器

利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇,具有体积小,不会发热,无嘈声、低功耗、寿命长等优点。图5-9是一个压电陶瓷弯曲变形器,它由两片压电陶瓷片夹一金属薄片构成,陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动。若两片陶瓷片加反向电压,则一边收缩另一边伸长,使金属片弯曲变形,若外加交变电压,金属片将作周期性振动。

压电陶瓷风扇是由两个弯曲变形器组成,如图5-10,接通交流电源后,两叶片就按箭头方向做往复振动、产生的风量可达0.42立方米/分钟。利用弯曲器还可制成继电器。

(5)压电振动加速计

压电陶瓷在计测仪器上有广泛的应用,这里介绍压电加速度计。

图5-11是压电陶瓷加速度计的示意图。当被测物体加速度运动时,放在上面的质量为m 的质量块夹在中间的压电陶瓷片产生压力F,由于压电效应,在陶

瓷片的上下电极有电压输出,此电压与应力成正比,而应力又与加速度(也即被测物体的加速度)成正比,因而可以测得的输出电压求得运动物体的加速度。

独石(多层)压电陶瓷变压器基本工作原理及特点

在现代,压电陶瓷制

品对我们并不陌生。

正压电效应的应用

主要用于燃气点火器,

如燃气灶.燃气打火机

等的点火系统。基本工作原理为:由外力压缩一个弹簧,压到顶点后释放,弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花,点燃可燃气体。

逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器,例如音乐贺卡、门铃.寻呼机.移

动电话机振铃等。基本工作原理为:当在压电陶瓷片上施加一交变电场时,压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动,当振动频率在音频波段内时就会发

出对应的音响。

应用此特性配合机械谐振原理还大量用于制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子组件。

压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器

的应用组合起来,组成压电谐振子。在蜂鸣器的一端(称为驱动端)输入一

个与压电变压器谐振频率一致的正弦交变电压,压电谐振子产生振动,传导

至点火器的一端(称为发电端),产生连续的正弦波电压,视乎于压电变压

器的结构特征,可以是输入低电压、输出高电压(升压型),也可以是输入

高电压、输出低电压(降压型)。若在高频驱动电压上通过调制解调器加入

低频调制,则可实现信号传输。

压电陶瓷变压器的基本结构形式如图(一)所示

压电陶瓷是一种脆性材料,为保障其机械强度,压电变压器必须有一定的厚度,上述变压器的驱动电压就受到了相当的限制。为此独石(多层)压电陶瓷变压器项目应运而生。独石(多层)压电陶瓷变压器的基本结构形式如图(二)所示。

采用了独石(多层)结构后每一单层厚度和层数均可调,驱动电压不再受到限制,因而可以使压电变压器无论处在何种驱动电压下都能工作在最佳状态。

此项目的核心技术为亚微米低温烧结压电陶瓷材料、内电极共烧技术,极化处理技术及结构设计。

独石(多层)压电陶瓷变压器制备的工艺流程为

工艺流程中所采用的通用及专用设备国内均可解决。

独石(多层)压电陶瓷变压器(MPT)是第三代电子变压器,具有

1. 超薄:厚度一般不超过4毫米

2. 转换效率高:满载时达97%以上(电阻性负载)

3. 具有负载短路自动截止工作的自保护特性

4. 谐振变压器:可实现零电压,零电流转换

5. 对于低阻负载具有准恒流输出特性

6. 无反峰压,可靠保护功率放大电路

7. 无电磁干扰

8. 无线圈击穿、霉断

9. 抗盐雾,耐候性好尤其适于海洋性气候使用

等特点

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域,是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的,具有标志性的事件是:电气及电子工程师学会(IEEE)在1920年开始召开国际绝缘介质会议,以后又建立了相应的分会(IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society)。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业,莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖,奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展,形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来,电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展,这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养,并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程,西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才,促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来,随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展,人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有: (1)、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 (2)、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 (3)、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。(电介质物理——邓宏)

压电超声波换能器原理

超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件,它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器,要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成,Cymbal阵列接收器由8~16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m,频带宽度达到10kHz,能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷,所谓功能性陶瓷就是对光,电,等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感,对压电陶瓷施加一个外力,压电陶瓷表面会产生电荷,这就是压电陶瓷的正压电效应,是一个将机械能转化为电能的过程;对压电陶瓷外加一个电场,压电陶瓷会发生微小的形变,这就是压电陶瓷的逆压电效应,是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应,可以把高频电压转化为高频率的振动,从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能(超声波)的器件,其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件,称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波,是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量,不需要外电源,称换能器,也称有源传感器,换能器是超声波设备的核心器件,其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器,除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器,超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺,同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器,应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低,使用一、二年后效率下降,甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂,价格昂贵,所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件,称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高,原材料价格便宜,制作方便,也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小,3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍,但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点,可用作超声波清洗,探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 (一)压电陶瓷的主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。 (2)压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大,能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为: π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同,在大多数的场合下(包括声波测井的压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例,对于压力和张力来说,其符号是相反的,电位移 D (单位面积的电荷)和应力σ 的关系表达式为:dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷(C ),A 为电极的面积(m 2),d 为压电应变常数(C/N )。 在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ,所产生的应变 S 是膨胀还是收缩,取决于样品的极化方向。

(工艺技术)压电陶瓷的压电原理与制作工艺

压电陶瓷的压电原理与制作工艺 1.压电陶瓷的用途 随着高新技术的不断发展,对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位,其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。

2.压电陶瓷的压电原理 2.1 压电现象与压电效应 在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力,它会产生形变,同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号,它会产生形变,同时还会发出声响。归纳这些类似现象,可得到正、逆压电效应的概念,即:压电陶瓷因受力形变而产生电的效应,称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应,称为逆压电效应。2.2 压电陶瓷的内部结构 材料学知识告诉我们,任何材料的性质是由其内部结构决定的,因而要了解压电陶瓷的压电原理,明白压电效应产生的原因,首先必须知道压电陶瓷的内部结构。 2.2.1 压电陶瓷是多晶体 用现代仪器分析表征压电陶瓷结构,可以得到以下几点认识: (1)压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成,如图1所示。 图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片 (2)每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格,可看为一粒小单晶,如图2所示。 图2 原子在空间规则排列而成晶格示意图 (3)每个小晶粒内还具有铁电畴组织,如图3所示。

图3 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片 (4)整体看来,晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同,排列是混乱而无规则的,如图4所示。这样的结构,我们称其为多晶体。 图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图 2.2.2 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 (1)晶胞结构 目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿(CaTiO3)型结构,如PbTiO3、BaTiO3、K x Na1-x NbO3、Pb(Zr x Ti1-x)O3等。 该类材料的化学通式为ABO3。式中A的电价数为1或2,B的电价为4或5价。其晶胞(晶格中的结构单元)结构如图5所示。 图5 钙钛矿型的晶胞结构

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似(原料粉碎、成型、高温烧结)因而得名。 某些各向异性的晶体,在机械力作用下,产生形变,使带电粒子发生相对位移,从而在晶体表面出现正负束缚电荷,这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时,晶体会产生几何形变。 1940年以前,只知道有两类铁电体(在某温度范围内不仅具有自发极化,而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体):一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐;一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性,技术上有使用价值,但有易溶解的缺点;后者要在低温(低于—14 C)下才有压电性,工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡(BaTiO)具有异常高的介电常数,不久又发现它具有压电性,BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料,此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷,并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器,日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统,这是一个划时代大事,使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷,使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今,压电陶瓷的应用,上至宇宙开发,下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期,比国外晚10年左右,目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量,有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体,它的压电性可由晶体的压电性来解释,晶体在机械力作用下,总的电偶极矩(极化)发生变化,从而呈现压电现象、因此压电性与极化,形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 (1)电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下,带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 (2)离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移,从而产生电偶极矩。 (3)取向极化——组成电介质的有极分子,有一定的本征(固有)电矩,由于热运动,取向无序,总电矩为零,当外加电场时,电偶极矩沿电场方向排列,出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体,极化强度与电场存在有如下关系 m,n=1,2,3 式中为极化率,或用电位移写成:

压电陶瓷应用

压电陶瓷的市场用途及其发展 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下,产生形变,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面,利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石,打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对压电陶瓷具有敏感的特性,可以将极其微弱的机械振动转换成电信号,可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害,而且震源始于地壳深处,以前很难预测,使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,用它来制作压电地震仪,能精确地测出地震强度,指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小,最多不超过本身尺寸的千万分之一,别小看这微小的变化,基于这个原理制做的精确控制机构--压电驱动器,对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置,是决定通信设备性能的关键器件,压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好,精度高及适用频率范围宽,而且体积小、不吸潮、寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。塑料甚至金属进行加工。 压电陶瓷的用途主要有以下几个: 1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动,而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制,可产生不同频率的振动,从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡,就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克,并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后,坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代,由于反坦克武器的发明,坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克,就会马上爆炸,把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷,它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压,爆发火花而引爆炸药。 3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机,就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮,打火机上的压电陶瓷就能产生高电压,形成电火花而点燃煤气,可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便,安全可靠,而且寿命长,例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。 4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后,当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时,护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电,在1/1000 s里,能把光强度减弱到只有1/10000,当危险光消失后,又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单,只有几十克重,安装在防核护目头盔上携带十分方便。 5、超声波换能器适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备,主要采用大功率发射型压电陶瓷制作,超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置,超声波换能器作为能量转换器件,它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验 引言: 压电陶瓷 我们将具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,而压电效应分为正压电效应和负压电效应。 ★正压电效应:当对某些晶体施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端面将出现数量相等、符号相反的束缚电荷,这种现象称为正压电效应,如下图所示; ★逆压电效应:当在晶体上施加电场引起极化时,将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这种现象称为逆压电效应。 注:实线代表形变前的情况; 虚线代表形变后的情况。 自从十九世纪五十年代中期,由于钙钛矿的 PZT 陶瓷具有比 BaTiO3更为优良的压电和介电性能,因而得到广泛的研究和应用。图 1-1 为 Pb(Zr x Ti 1-x )O 3体系的低温相图[1]。在居里温度以上时,立方结构的顺电相为稳定相。在居里温度以下,材料为铁电相,对于富 Ti 组分(0≤x ≤0.52)为四方相;而低 Ti 组分(0.52≤x ≤0.94)为三方相。两种晶相被一条 x=0.52 的相界线分开。在三方相区中有两种结构的三方相:高温三方相和低温三方相,这两种三方相的区别在于前者为简单三方晶胞,后者为复合三方晶胞。在靠近 PbZrO3组分(0.94≤x ≤1)的地方为反铁电区,反铁电相分别为低温斜方相和高温四方相。 正压电效应示意图

如图 1-2 所示[10],对于四方相,自发极化方向沿着六个<100>方向中的一个方向进行,而三方相的自发极化方向沿着八个<111>方向中的一个方向进行。由于自发极化方向的不同,在不同的晶体结构中产生不同种类的电畴,在四方相中产生 180o 和 90o电畴,三方相中产生 180o、109o、71o电畴。 一、实验目的: 本实验主要是通过对具有压电性能的陶瓷材料PZT(锆钛酸铅)的制备来掌握特种陶瓷材料的整个工艺流程,并掌握一定的性能测试手段。 二、实验仪器: 电子天平、粉末压片机、箱式电阻炉、成型模具、温度控制仪、准静态d33测量仪、极化装置、阻抗分析仪等。 三、实验原理: 实验室制备PZT压电陶瓷的工艺路线为: 配方设计→PZT粉体混合研磨制备→预烧→成型→排塑→烧结→上电极→极化→性能

压电陶瓷的测试--

第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试,烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率,结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点:(1)为极化创造条件,因为陶瓷本身为强绝缘体,而极化时要施加高压电场,若无电极,则极化不充分;(2)起到传递电荷的作用,若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷,显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光,使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆(武汉优乐光电科技有限公司生产,型号:SA-8021),并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理,慢速升温到320~350℃,保温15min 以排除银浆中的有机物,快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却,最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合,对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间,随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列,使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度,这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序,压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体,电畴在陶瓷体中的排

列是杂乱无章的,对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后,陶瓷转变为各向异性的多晶体,即宏观上具有了极性,也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷,进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件,本文采用硅油浴高压极化装置(华仪电子股份有限公司生产,型号:7462)详细研究了样品的极化行为,并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1.压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应,可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时,若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致,就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振,器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号,这种器件称为压电振子,广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示,它由电容C1,电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成,在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2.压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是

压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主,主要利用压电陶瓷的逆压电效应,即通过对压电陶瓷施加电场,压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时,在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷,当外力撤去后,又缓慢恢复到不带电的状态;逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压,压电陶瓷会随之发生形变位移,电场撤去后,形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小,一般都小于1%,虽然形变量非常小,但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器,它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中,压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积,对于小尺寸的压电陶瓷,出力 通常达到数百牛顿的范围,而对于大尺寸的压电陶瓷,出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 (一)压电陶瓷的主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。 (2)压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大,能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同,在大多数的场合下(包括声波测井的压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例,对于压力和张力来说,其符号是相反的,电位移 D (单位面积的电荷)和应力σ 的关系表达式为:dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷(C ),A 为电极的面积(m2),d 为压电应变常数(C/N )。 在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ,所产生的应变 S 是膨胀还是收缩,取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的,即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ,它表示应力与所产生的电场的关系,或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系: εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数,以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应和逆压电效应,机械能(或电能)中的一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示,它是

压电陶瓷材料的发展及应用

压电陶瓷材料的发展及应用 美国Sandia研究所的Haertling在1964年发现,如果在Pb(Ti,Zr)O 3 中 添加少量的Bi 2O 3 进行热压成型时,烧结得很好,这种多晶材料的铁电电滞回线呈 现明显的矩形特性。此后,兰德(Land)等人发现,这种陶瓷被研磨成薄片时透光度高,随着晶体粒度的不同显示出二种电光学效应,即粒度为2微米以上的极化了的粗晶粒陶瓷片,散射光的强度随着极化轴的角度发生变化;2微米以下的微细晶粒陶瓷片,则呈现出以极化为光轴的单轴性负光学各向异性,双折射率随偏置电压的改变而变化.这种陶瓷是一种很有价值的新型电光学材料.这一发现是铁电性透明陶瓷展的开端。 1971年美国Haertling和Land用La置换一部分Pb的 Pb 1-x La x (Zr y Ti i-y ) 1-(x/4) O 3 组成(简称PLZT)进行热压烧结成型,所得陶瓷研磨的薄片 具有电控双折射、电控可变光散射等特性,可用作关阀、电光调制器和光记忆元件,PLZT是一种很有价值的新型电子材料,是20世纪70年代铁电陶瓷的重大进展。 透明铁电压电陶瓷的问世,一方面是由于客观上性技术的发展对铁电压电陶瓷材料在电光方程面的应用提出了要求,另一方面,是由于长期以来人们对铁电压电陶瓷进行了大量的研究实践(特别是热压工艺)的结果。具体的工作在1967年左右开始,1970年5月宣布了透明铁电陶瓷试制成功,随后报道了各种应用研究,1972年改进了工艺方法,提高了厚片的透明度,1973年又发展了不用热压而用通氧烧结的方法成功地制造了较大面积的透明铁电压电陶瓷。在此期间,陆续报道的各种有关的应用或实验结构有铁电显示器、光阀、光信息存贮器、偏置应变存贮显示器件、反射式偏置应变存贮显示器件、散射式存贮显示器件、染料激光波长选择器件、全息存贮输入器件等等。各方面应用的研究正在不断发展中. 透明铁电压电陶瓷的发展,给铁电压电陶瓷开辟了新的应用领域-电光应用,过去电光器件用的是单晶铁电材料,但由于单晶材料存在一些缺点,例如尺

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用Word版

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用 摘要:压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料,具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性,在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手,阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况,综述了其近年来的研究进展,并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。 关键词:压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展 引言 1880年皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候,在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年,居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年,德国物理学家沃德马?沃伊特,推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1] 石英是压电晶体的代表,利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中,居里的继承人朗之万,为了探测德国的潜水艇,用石英制成了水下超声探测器,从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 除了石英晶体外,酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理,获得了压电陶瓷的压电性。随后,美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究,这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。 1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷,即PZT压电陶瓷,大大加快了应用压电陶瓷的速度,使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用,特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等,随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件,上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料(PVDF),现在也已基本成熟,并已达到了生产规模。如今,随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升,更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。 一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理 压电效应包含正压电效应与逆压电效应,当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷,当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变,并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比,而当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应;相反,当在电介质的极化方向上施加交变电场,这些电介质也会发生机械变形,电场去掉后,电介质的机械变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能,而逆压电效应是把电能转换为机械能。 1.1压电效应原理

压电陶瓷钛酸钡的制备

化学化工学院材料化学专业实验报告实验实验名称:压电陶瓷材料钛酸钡的制备 年级:材料化学日期:2013-9-26 一、预习部分 1、前言 电子陶瓷用钛酸钡粉体超细粉体技术是当今高科技材料领域方兴未艾的新兴产业之一。由于其具有的高科技含量,粉体细化后产生的材料功能的特异性,使之成为新技术革命的基础产业。钛酸钡粉体是电子陶瓷元器件的重要基础原料,高纯超细钛酸钡粉体主要用于介质陶瓷、敏感陶瓷的制造,其中的多层陶瓷电容器、PTC热敏电阻器件与我们的日常生活密切相关,如PTC热敏电阻在冰箱启动器、彩电消磁器、程控电话机、节能灯、加热器等领域有着广泛的应用;MLC多层陶瓷电容在大规模集成电路方面应用广泛。 钛酸钡(BaTiO3)是最早发现的一种具有ABO3型钙钛矿晶体结构的典型铁电体,它具有高介电常数,低的介质损耗及铁电,压电和正温度系数效应等优异的电学性能,被广泛应用于制备高介陶瓷电容器,多层陶瓷电容器,PTC热敏电阻,动态随机存储器,谐振器,超声探测器,温控传感器等,被誉为"电子陶瓷工业的支柱". 近年来,随着电子工业的发展,对陶瓷元件提出了高精度,高可靠性,小型化的要求. 为了制造高质量的陶瓷元件,关键之一就是要实现粉末原料的超细,高纯和粒径分布均匀. 研究可以制备粒径可控, 粒径分布窄及分散性好的钛酸钡粉体材料的方法且能够大量生产成为了一个研究热点. 2 钛酸钡粉体的制备工艺 2.1 固相合成法 固相法是钛酸钡粉体的传统制备方法,典型的工艺是将等量碳酸钡和二氧化钛混合,在1 500℃温度下反应24h,反应式为:Ba CO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑。该法工艺简单,设备可靠。但由于是在高温下完成固相间的扩散传质,故所得BaTiO3粉体粒径比较大(微米),必须再次进行球磨。高温煅烧能耗较大,化学成分不均匀,影响烧结陶瓷的性能,团聚现象严重,较难得到纯BaTiO3晶相,粉体纯度低,原料成本较高。一般只用于制作技术性能要求较低的产品。 2.2化学沉淀法 2.2.1 直接沉淀法在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂,控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应生成陶瓷粉体沉淀物团。如将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4溶于异丙醇中,加水分解产物可得沉淀的BaTiO3粉体。该法工艺简单,在常压下进行,不需高温,反应条件温和,易控制,原料成本低,但容易引入BaCO3、TiO2等杂质,且粒度分布宽,需进行后处理。 2.2.2 草酸盐共沉淀法将精制的TiCl4和BaCl2的水溶液混合,在一定条件下以一定速度滴加到草酸溶液中,同时加入表面活性剂,不断搅拌即得到BaTiO3的前驱体草酸氧钛钡沉淀 BaTiO(C2O4)4·4H2O(BTO)。该沉淀物经陈化、过滤、洗涤、干燥和煅烧,可得到化学计量的烧结良好的BaTiO3微粒: TiCl4+BaCl2+2H2C2O4+4H2O→BaTiO(C2O4)2·4H2O↓+6HCl, BaTiO(C2O4)2·4H2O→BaTiO3+4H2O+2CO2↑+2CO↑。

PZT压电陶瓷制备方法

PZT压电陶瓷制备方法 摘要:PZTR基压电陶瓷材料具有性能稳定、容易制造、价格低廉等优点,已被广泛应用于电子元器件中。但由于采用传统的高温固相法烧结铅大量挥发,从而导致化学计量比偏离、性能下降。本文介绍了压电陶瓷的几种制备方法。 关键字:;PZT陶瓷制备方法 引言:PZT压电陶瓷由于具有居里温度高、压电性强、易掺杂改性、稳定性好等特点。自20世纪60年代以来,一直是人们关注和研究的热点,在压电陶瓷领域中占主导地位。就PZT压电陶瓷的制备工艺而言,PZT粉体合成和致密化烧结对PZT制品质量影响最大。PZT超微粉体具有粒度细、比表面积大、反应活性高等优点,可降低烧结温度,减少铅挥发,保证准确的化学计量,提高PZT制品性能,因而超微PZT粉体的制备已成为PZT压电陶瓷研究的重点。 近年来对超微PZT粉体制备的研究开发了许多新的方法。固相法除传统周相法外,还包括微波辐射法、机械化学法口、反应烧结法等。液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点,纷纷被用于PZT粉体的制备,如溶胶一凝胶法、水热法、沉淀法等。但对PZT压电陶瓷的制备及性能研究仍存在许多不足,主要包括:粉体团聚、化学计量及制品性能易老化等。 2、PZT陶瓷的制备方法 2.1水热法合成制备PZT压电陶瓷粉 实验原料为:Pb(Ac)2·3H20、ZrOCl2·8 H20、Ti(OC4H9)4、Na()H(均

为分析纯试剂),全部配制成水溶液使用。按照Pb(Zr0.58Ti 0.42)O3的组成配制水热反应混合溶液。铅的成分适当过量添加。反应在NaOH 水溶液介质中进行,反应设备采用100mI。反应釜,反应温度分别设定为240摄氏度、反应时间为4 h,反应结束后用定鼍滤纸进行过滤,然后用离子交换水超声波二遍清洗,生成物在100摄氏度下干燥24 h,以备测定各种性能。采用RIGAKU公司生产的D/MAX RB型X射线粉末衍射仪分析产物的物相组成,采用JSM一5010I。V型扫描电镜观察f)z1、粉末的形貌,最后采用Gemini 2360测试仪用BET、法测定粉末的比表面积。 2.2湿声化学法制备PZT(52/48)压电陶瓷粉体 实验用原料:乙酸铅(纯度为99.5%),钛酸丁酯(纯度为98%),二氧化锆和柠檬酸(纯度为99.5%).按照Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的化学计量比称量各种原料.将乙酸铅和钛酸丁酯分别溶解在去离子水和乙醇溶液中,磁力搅拌(X85—2S恒温磁力搅拌器)20 min使其均匀混合将柠檬酸水溶液缓慢倒入乙酸铅和钛酸丁酯的混合溶液中,并加入少量氨水调节其pH值以使其形成溶胶.将二氧化锆加入到溶胶中并磁力搅拌30 min,再用超声雾化设备(25 kHz,150 W,自行研制)对混合物雾化处理3次.将雾化处理后的混合物在120℃干燥10 h形成干凝胶,将干凝胶在300—800℃下煅烧(马弗炉,SX-1)一定时间后得到PZT粉体材料. 2.3溶胶一凝胶法制备PZT超细粉体 1、按Pb(Zr0.52Ti0.48)03比例称取乙酸铅、硝酸氧锆,分别溶于冰

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 (2)压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压

压电陶瓷粉体的制备与测试

压电陶瓷材料是具有机电转换效应的一类功能材料,这种材料能够实现机械能与电能的相互转换,在机械,电子。医疗,通讯,精密控制,国防军工等很多领域中应用广泛。粉末颗粒的特性包括粒度,粒度分布,颗粒形状,孔隙度,Z 电势数值和比表面积等。对于陶瓷材料制备而言,粉体的粒度及其分布状况关系到原煤料的加工时间,坯体的致密度大小,烧成温度的高低等问题,对制品的质量和性能起着极重要的作用。制备方法则采用: 1)传统固相法:将所需元素的氧化物,碳酸盐或硝酸盐通过球磨混合均匀,经过煅烧使这些盐类发生分解与固相反应,从而生成所需化学成分和晶相的陶瓷粉体。 工艺优点:技术成熟,工艺简单,成本低廉 工艺缺点:颗粒较粗,活性较差,化学均匀性较差,易团聚。 2) 水热合成法:把常温常压下溶液中不容易进行的反应,通过将物系置于高温高压条件下来加速反应的进行 工艺优点:低温下即可获得较纯粉体,晶粒发育良好,粒度分布均匀。 工艺缺点:晶化时间过长,不利于连续生产。 3)溶胶-凝胶法:将易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)溶解在某种溶剂中并使之与水发生反应而逐渐胶化,凝胶经干燥和高温处理制得所需的粉体材料。 工艺优点:化学均匀性好,粉体颗粒细且尺寸分布窄,设备简单。

工艺缺点:前驱体材料价格昂贵,有机溶剂对人体有害,制粉工艺较复杂。 粉体粒度测试方法: a) 激光法:当光束照射到气体或液体里的细颗粒时,光将向各个方向散射,并在颗粒背后产生瞬间阴影。照射光有部份被颗粒吸收,部分产生衍射。光的散射和衍射与颗粒的粒度有一定的关系。 优点:分析速度快,操作简单方便,分析检测范围广。 缺点:不宜测量粒度分布很窄的样品,分辨率相对较低。 b) 沉降法:颗粒的沉降速度与颗粒的大小有关,大颗粒的沉降速度快,小颗粒的沉降速度慢,因此只要测量颗粒的沉降速度,就可以得到反映颗粒大小的粒度分布。 优点:原理直观,分辨率较高,价格及运行成本低。 缺点:测量速度慢,不能处理不同密度的混合物,受环境和人为因素影响较大。

压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性 压电效应具有可逆性:若在压电陶瓷片上施以音频电压,就能产生机械振动,发出声响;反之,压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时,片上就产生一定数量的电荷Q,从电极上可输出电压信号。 目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT),是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感,所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作,仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求,—般采用双膜片结构,其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为 15~40mm,复合振动片的总厚度为h。 当压电材料—定时,谐振频率与h成正比,与(D/2)2成反比。谐振频率fo 与复合振动片的直径D呈指数关系,如图2(a)所示。显然D愈大,低频特性愈

好。压电陶瓷片作传声器使用时,工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比,由图2(b)可见,阻抗随d/D比值的增大而降低。>压电陶瓷片的驱动 压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈,构成压电晶体振荡器,使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗,输出音量受输入电流控制,因此亦称为电流驱动型。 第二种为他激振荡式驱动,利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上,因此阻抗较高,输入电流较小,它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。>压电陶瓷片的测试方法 1、电压测试法 在业余条件下,可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏,具体方法是:将万用表拨至2.5V直流电压档,左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面,右手持两支表笔,红表笔接金属片,黑表笔横放在陶瓷表面上,如图1所示。然后左手拇指与食指稍用力压紧一下,随即放松,压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号,使指针先是向右捏一下,接着返回零位,又向左摆一下。摆动幅度约为0.1~0.15V。在压力相同的情况下,摆幅愈大,压电陶瓷片的灵敏度愈高。若表针不动,说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。 交换两支表笔位置后重新试验,指针摆动顺序应为:向左摆->回零->向右摆->回零。 在意事项: ①如果用交流电压档,就观察不到指针摆动情况,这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。 ②检查之前,首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻,应为无穷大,否则证明漏电,压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后,可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡,—般能继续使用。 ③检查时用力不宜过大、过猛,更不得弯折压电陶瓷片;勿使表笔头划伤陶瓷片,以免损坏片子。 ④若在压电陶片上一直加恒定的压力,由于电荷不断泄漏,指针摆动一下就会慢慢地回零。

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