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压电陶瓷材料

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摘要:

本文包括压电陶瓷压电陶瓷的产生发展,机理,生产及其应用,从各方面阐述了压电陶瓷材料的种种物理性能,以及压电陶瓷为我们生活带来的便利,对科技发展带来的种种贡献。

前言:

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。随着现代电子信息技术的飞速发展,

对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。本文专注介绍了压电陶瓷的产生发展,机理,生产及其应用,从各方面阐述了压电陶瓷材料。

压电陶瓷发展史:

1880年,居里兄弟首先发现电气石的压电效应,从此开始了压电学的历史。1881年,居里兄弟实验验证了逆压电效应,给出石英相同的正逆压电常数。

1894年,Voigt指出,仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应,石英是压电晶体的一种代表,它被取得应用。第一次世界大战,居里的继承人郎之万,最先利用石英的压电效应,制成了水下超声探测器,用于探测潜水艇,从而揭开了压电应用史篇章。第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷,压电材料及其应用取得划时代的进展。1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现,在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场,使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应,从此诞生了压电陶瓷。

压电陶瓷概念:

压电材料分为压电晶体和压电陶瓷。

压电晶体一般指压电单晶体,是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心,因此具有压电性。如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结,由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷,实际上也是铁电陶瓷。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作,具有敏感的特性。笼统而言,压电陶瓷即通过外界刺激可以产生电压的陶瓷材料。

压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质,电介质在电场的作用下有两种效应,即逆压电效应和电致伸缩效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场的作用下产生应变,应变大小与电场大小成正比,应变的方向与电场方向有关。

压电陶瓷的基本原理:

1.电畴:

通常,铁电体自发极化的方向不相同,但在一个小区域内,各晶胞的自发极化方向相同,这个小区域就称为铁电畴。两畴之间的界壁称为畴壁,根据两个电畴的自发极化方向,可分为90°畴壁、180°畴壁等。畴壁通常位于晶体缺陷附近,因为缺陷区存在内应力,畴壁不易移动。相邻电畴的取向一般都是“首尾相接”的(图2),在应力场作用下也会出现“头对头,尾对尾”的特殊形态以利于降低自由能。观察电畴可以采用化学腐蚀法、偏光显微镜法和X射线形貌法等。

180度电畴与90度电畴示意图

2.铁电性概念:

某些晶体显示的自发极化性质。铁电体中存在固有的自发极化电矩;在铁电晶体中通常还伴随着出现电畴结构,同一个电畴中的自发极化电矩同向;当晶体足够大时,不同电畴的电矩可以因取向不同而互相抵消,使得宏观的极化不显露出来。自发极化电矩可以在外电场作用下改变方向;在交变外电场E的作用下,铁电体的宏观极化强度p与E的关系出现回线。铁电体的这些性质与铁磁性十分相似,故称铁电性。

铁电体中由于出现畴结构,一般地宏观极化强度p=0。当外电场E 很小时p 与E有线性关系。当E足够大以后,出现p 滞后于E而变化的关系曲线称为电滞回线。。经过固定振幅的强交变电场多次反复极化之后,电滞回线有大致稳定的形状,参见下图。

如上图所示:Ps为无电场时单畴的自发极化强度;Pr为剩余极化强度;Ec为

矫顽电场。当外界电场开始作用于未极化的样品时,在样品上会产生剩余极化强度Pr,欲使剩余极化强度减小到零,就必须在相反的方向上施加矫顽电场Ec,而增加反方向上的电场又会增加反方向上的极化,于是形成了整个电滞回线。以后每次极化时,它沿着这条曲线变化。不同的压电材料有不同的电滞回路。

极化工艺是一个很复杂的过程, 极化时不仅要有较高的电场,不同的厚度需要不同的时间,还要在较高的温度下才能达到最佳极化效果。极化后的压电陶瓷材料在一定的高温下会失去极化效应, 不同压电材料有不同的失效温度, 这一点在选用压电陶瓷材料时需注意。

压电陶瓷的极化性能, 是压电检波器设计人员必须掌握的知识。压电陶瓷材料极化前和极化后的性能差别是很大的。

3.压电效应:

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应

经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时,压电陶瓷在外力的作用下发生形变,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,片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。

正压电效应

2.压电陶瓷的主要结构:

压电陶瓷数目众多,类型也各不相同,但从晶体结构看,压电陶瓷主要有三种类型,它们是钙钛矿结构、钨青铜结构和含铋层状结构。

1、钙钛矿结构

大多数有用的压电陶瓷都是钙钛矿结构,其通式为ABO3,AB的价态可为A2+B4+或A1+B5+。图是ABO3钙钛矿结构示意图。简单立方钙钛矿型结构(m3m点群)由一系列共有顶角的八面体(如图所示)排列而成,氧八面体的中心是高价小半径的B位离子,如Ti、Sn、Zr、Nb、Ta、W等,而在氧八面体内,则为大半径、低电价、配位数为12的A位离子,如Na、K、Rb、Ca、Sr、Ba、Pb等。

2.钨青铜结构

氧八面体铁电体中有一部分是以钨青铜结构存在的,由于此类结构类似四角钨青铜KxWO3和NaxWO3而得名。这一结构的基本特征是一个四方晶胞包含10个BO6八面体,例如PbNb2O6、NaSr2Nb5O15等。与钙钛矿结构相似,这类铁电体也具有氧八面体的网络结构,但比简单钙钛矿结构复杂。

氧八面体以共顶点的形式沿其四重轴叠置成堆垛,各堆垛再以共点的形式连接起来。与钙钛矿结构不同的是,这些堆垛在垂直于四重轴的平面内取向不一致,不同堆垛的氧八面体之间形成不同的空隙。

3.含铋层状结构

含铋层状结构的化合物也同样含有氧八面体,其晶体结构比较复杂,但一般是由二维的钙钛矿层和Bi2O22+层有规则地相互交错排列而成的。含铋层状结构化合物中有一部分具有铁电性,其特点是居里温度高,自发极化也比较高,压电性能和介电性能各向异性大等。

压电陶瓷的物理性能:

1.压电性:

压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。遵循公式:

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。

反之,逆压电性当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式:

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。

压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。

2.极化强度:

电介质在电场作用下电极化的强弱可用电极化强度来表示,电极化强度p 是单位体积内电偶极矩的矢量和:

p = ∑Vq1。

它直接反映了电介质在电场中电学与力学的联系。

3.其他特征

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。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。

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,基于这个这微小的变化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。

压电陶瓷的生产:

压电陶瓷主要有三大类:

钛酸钡类(BaTiO3),原材料有二氧化钛、碳酸钡、碳酸锶等;

锆钛酸铅类(PbZrTiO3),原材料有二氧化钛、氧化锆、氧化铅、、碳酸锶、氧化铌、氧化镧等;

铌镁酸铅类(PbNbMgO3),原材料有氧化铌、氧化镁、氧化铅、、碳酸锶、氧化镧等。电极是银和低温玻璃材料。

工艺流程图如下:

配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。

一、配料:进行料前处理,除杂去潮,然后按配方比例称量各种原材料,注意少量的添加剂要放在大料的中间。

二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨,大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法,效率较高。

三、预烧:目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。

四、二次细磨:目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细,为成瓷均匀性能一致打好基础。

五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低,高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。

六、成型:目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。

七、排塑:目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。

八、烧结成瓷:将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。

九、外形加工:将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被电极:在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。

十一、高压极化:使陶瓷内部电畴定向排列,从而使陶瓷具有压电性能。

十二、老化测试:陶瓷性能稳定后检测各项指标,看是否达到了预期的性能要求。

压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理,使之具有压电效应。一般极化电场为3~5kV/mm,温度100~150°C,时间5~20min。这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷,如锆钛酸铅系陶瓷,其机电偶合系数可高达~。

压电陶瓷的应用:

1.低温烧结压电陶瓷材料的应用:

低温烧结压电陶瓷材料的研究,开始仅以抑制PbO 挥发, 保证材料性能达到设计指标为目的.发展到20 世纪90 年代以来,除了以上目的之外,使其应用于叠层压电陶瓷器件是其又一目的.特别值得重视的是可用其研制与开发。

2.现在我们日常生活中使用的一次性打火机,也用到压电效应;但它使用的

不是水晶,而是压电陶瓷。第二次世界大战后,日本成功的将压电效使用在了打火机上;利用压电陶瓷的压电原理在瞬间产生1万伏左右的高压,使产生的电火花(以前的打火机用打火石来产生火花)点燃气体(丁烷)。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。

3.换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件

压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应,而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动,利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点,研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件,如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。

4.传感器上的应用

(1)压电式压力传感器:

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意,避免漏电。

压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆,在受到突然振动或过大压力时,自我恢复较慢。

(2)压电式加速度传感器:

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极,并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块,质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓,螺帽对质量块预加载荷,整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去,避免产生假信号输出,所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造,壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时,将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时,由于基座和质量块的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应,因此在它的两个表面上就产生交变电荷(电压),当加速度频率远低于传感器的固有频率时,传感器给输出电压与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比,输出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度;如果在放大器中加进适当的积分电路,就可以测试试件的振动速度或位移。

5.压电驱动器:

压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用,还需要进行大量研究。电子束辐照P(VDF-TrFE)共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力,从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下,利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究,在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外,利用辐照改性共聚物的优异特性,研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用,还需要进行大量的探索。

展望:

随着高新技术的发展,压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域,它更多的是在日常生活中为人们眼务,为人们创造更美好的生活。

参考文献:

《国内外压电陶瓷的新进展及新应用》

李晓娟, 李全禄, 谢妙霞, 郝淑娟, 杨贵考, 周九茹, 马晴

《低温烧结压电陶瓷材料及应用》周桃生, 彭炜, 苗君, 邝安祥

《压电陶瓷基本特性研究》张涛孙立宁蔡鹤皋

《压电陶瓷的极化原理和测试方法》杜克相潘中印段亚玲《无铅压电陶瓷研究开发进展》

《压电陶瓷材料及应用》

《压电陶瓷基本知识》

《一张图看懂压电陶瓷》

百度百科

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网络资料

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)

压电陶瓷电特性测试与分析

摘要:通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知:压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点,所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显,在常温下工作较稳定,厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词:压电陶瓷;等效电路模型;电特性;可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics,PZT)受到微小外力作用时,能把机械能变成电能,当加上电压时,又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成,其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比,具有化学性质稳定,易于掺杂、方便塑形的特点[1],已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器;利用其压电性可制作各种压电器件;利用其热释电性可制作人体红外探测器;通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性,利用它可制作存贮,显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜,在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境,欧盟成员国已规定自2006年7月1日起,所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此,近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说,总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此,当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下: GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法(低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试)

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:

压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析 Document number:NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

在机械自由条件下,测得的介电常数称为自由介电常数,在εT表示,上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下,测得的介电常数称为夹持介电常数,以εS表示,上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场,而在机械受夹条件下则没有这种效应,因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述,沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数,即ε11T,ε33T,ε11S,ε11S。 (2)介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下,介质 所积蓄的电荷有两部分:一种为有功部分(同 相),由电导过程所引起的;一种为无功部分 (异相),是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示, Ic为同相分量,IR为异相分量,Ic与总电流I 的夹角为δ,其正切值为 (1-4) 式中,ω为交变电场的角频率,R为损耗电阻,C为介质电容。由式(1-4)可以看出,I R大时,tanδ也大;I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗,称为介质损耗正切值或损耗因子,或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗,来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外,具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗,还与畴壁的运动过程有关,但情况比较复杂,因此,在此不予详述。 (3)弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体,它服从胡克定律:“在弹性限度范围内,应力与应变成正比”。设应力为T,加于截面积A的压电陶瓷片上,其所产生的

国内外压电陶瓷的新进展及新应用_李晓娟

第25卷第4期 硅 酸 盐 通 报 V o.l 25 N o .4 2006年8月 BULLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY A ugust ,2006 国内外压电陶瓷的新进展及新应用 李晓娟,李全禄,谢妙霞,郝淑娟,杨贵考,周九茹,马 晴 (陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062) 摘要:主要综述了近年来国内外压电陶瓷材料的最新进展和最新应用状况,以及为使压电陶瓷材料更充分应用于 生产实践中所采取的一系列改性措施,其中包括锆钛酸铅(PZT )压电陶瓷、不含铅的铋层压电陶瓷、钛酸铋钠 (BNT )压电陶瓷及钛酸钡(BaT i O 3)压电陶瓷系统。最后,还简要介绍了压电陶瓷材料未来的发展趋势。 关键词:压电陶瓷材料;新进展;新应用;发展趋势 N e w H eadways and N e w App li cati ons of P iezocera m ics atH o m e and Abroad LI X iao -Juan ,LI Quan -Lu ,X I E M iao -X i a ,HA O Shu -Juan ,YA NG Gui -kao ,ZH OU J iu -ru ,MA Q i n g (School of Phys i cs and Infor m ation Technol ogy ,ShaanxiN or m alUn i versit y ,Xi 'an 710062) Abst ract :This paper summ arizes the new headw ay and ne w applicati o n of piezoelectric cera m ic m a terials at ho m e and abroad in r ecent years ,and a series of i m prove m en ts in order t o m ake t h e m fully applied i n t h e p r oduc tion w ere pr oposed ,i n cluding the p i e zoe lectric cera m ic o f PZT w ith lead ,the l e ad -free piezoelectric cera m ic w ith bis mu t h layer str uct u r e ,t h e p iezoelectric ce ra m ic of B NT and p iezoelectric ce r a m ic Ba T i O 3.I n addition ,ne w deve l o p m ent trends o f p iezoelectric cera m ic we r e in troduced . K ey w ords :piezoe lectric cera m ic m a teria ls ;ne w headw ay ;ne w applica tion ;deve lopm ent tr end 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10374064);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(03J K061).作者简介:李晓娟(1978-),女,硕士.从事压电陶瓷材料及器件研究. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性 外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等[1~3]。随着现代电子 信息技术的飞速发展,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。目前,在性能改进方面主要采用2种方法[4~6]:一种是掺杂改性,即掺杂某种改性离子;另一种是改进制备工艺。本文将对国内外压电陶材料的最新研究进展及最新应用情况做一扼要的综述,其中包括含铅压电陶瓷与无铅压电陶瓷系统;并对压电陶瓷材料未来的发展动态进行了展望,目的在于使相关科研与教学人员能注意到该领域新的发展状况及有待解决的问题。 1 压电陶瓷的基本物理性质 1.1 介电性及弹性性质 压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用介电常数ε来表示。在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系P =ε0χE [7]表示,P 为极化强度,ε0为真空介电常数,χ 为电极化率,E 为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声器等音频

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

压电陶瓷材料

压电陶瓷材料 摘要: 本文包括压电陶瓷压电陶瓷的产生发展,机理,生产及其应用,从各方面阐述了压电陶瓷材料的种种物理性能,以及压电陶瓷为我们生活带来的便利,对科技发展带来的种种贡献。 前言: 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应 ,压电陶瓷除具有压电性外 ,还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。随着现代电子信息技术的飞速发展 ,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。本文专注介绍了压电陶瓷的产生发展,机理,生产及其应用,从各方面阐述了压电陶瓷材料。 压电陶瓷发展史: 1880年,居里兄弟首先发现电气石的压电效应,从此开始了压电学的历史。1881年,居里兄弟实验验证了逆压电效应,给出石英相同的正逆压电常数。 1894年,Voigt指出,仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应,石英是压电晶体的一种代表,它被取得应用。第一次世界大战,居里的继承人郎之万,最先利用石英的压电效应,制成了水下超声探测器,用于探测潜水艇,从而揭开了压电应用史篇章。第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷,压电材料及其应用取得划时代的进展。1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现,在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场,使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应,从此诞生了压电陶瓷。 压电陶瓷概念: 压电材料分为压电晶体和压电陶瓷。 压电晶体一般指压电单晶体,是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心,因此具有压电性。如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结,由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷,实际上也是铁电陶瓷。 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作,具有敏感的特性。笼统而言,压电陶瓷即通过外界

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

压电陶瓷参数整理

压电材料的主要性能参数 (1) 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质,或极化性质的,通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大,而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ,电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容;A ——电容器极板面积;t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时,介电常数ε越大,电容C 也就越大,即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低,所以ε应大一些。因为ε大,C 就相应大,电容器充放电时间长,频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小: 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电; △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大,发射性能好,发射灵敏度越高。 (3)压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小: 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力; P U —— 晶片表面产生的电压梯度,即电压U 与晶片厚度t 之比,P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大,接收性能好,接收灵敏度高。 (4)机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。

m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大,能量的损耗越小,晶片持 续振动时间长,脉冲宽度大,分辨率低。 (5)频率常数 由驻波理论可知,压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度;L λ——晶片中纵波波长;L C ——晶片中纵波的波速; 0f ——晶片固有频率。 则: 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数,这个常数叫做频率常数。因此,同样的材料,制作高频探头时,晶片厚度较小;制作低频探头时,晶片厚度较大。 (6)机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数,它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时,同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形,因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大,检测灵敏度高;p K 大,低频谐振波增多,发射脉冲变宽,导致分辨率降低,盲区增大。 (7)居里温度C T 压电材料与磁性材料一样,其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生,超过一定温度,压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度,用C T 表示。 探头对晶片的一般要求: (1) 机电耦合系数K 较大,以便获得较高的转换效率。

关于压电材料

现阶段研究较多的压电复合材料是由压电陶瓷 (如PZT,PbTiO。)和聚合物(如PVDF,环氧树脂) 复合成的。岳鹏等c10]用化学溶解、旋涂成膜、多层 膜热压制得PZT体积分数60%、介电常数100左 右的PZT/PVDF复合材料。徐任信等[111运用热压 工艺制备了。一3型PZT/PVDF压电复合材料,加入 适量石墨后可以明显提高复合材料的极化性能。 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。 压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低,当受到外力作用发生形变时,晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合,导致晶体发生宏观极化,而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影,所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之,压电材料在电场中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换。 能将压力转换成电压的装置我所知道的应该就只有压电晶体了。压电晶体不同的成分有不同的转换关系。通常在购买的时候附上的说明书里会给出压电转换的经验公式或者实验数据。可以根据产品的型号、成分等信息网上搜索相关的压电转换公式 主要参数 (1)压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。 (2)压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 (3)对于一定形状、尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 (4)在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 (5)压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 (6)压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 压电转换 压电关系表达式:Q=d*F,其中d:压电常数 更一般表达式:电荷密度q ,(用单位面积受力表示) 其中:i=1,2,3表示晶体极化方向,指的是与产生电荷的面垂直的方向;j=1,2,3,4,5,6表示受力方向,1~3表示x,y.z向受力,4~6表示剪切力方向 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷 受x向(拉)力作用后在z方向产生电荷的表达式:

压电材料及其应用

压电材料及其应用 学院:材料学院 专业:材料科学与工程系班级:1019001 姓名:李耘飞 学号:1101900118

压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内,藏着一块压电陶瓷,当用户按下点火装置的弹簧时,传动装置就把压力施加在压电陶瓷上,使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是,燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动,则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械震动),这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说,压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场,也可以因电场作用产生机械变形,这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如,压电材料已被用来制作智能结构,此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能,在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括: (1)机电转换性能:应具有较大的压电系数; (2)机械性能:压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、机械刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有频率; (3)电性能:应具有高的电阻率和大的介电常数,以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性(4)温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点,以得到宽的工作温度范围 (5)时间稳定性:其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有:(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类:压电晶体(单晶)、压电陶瓷(多晶)和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 (1)压电晶体 1)石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体,分为天然石英晶体和人工石英晶体,其化学成份是二氧化硅(SiO2),其压电常数d11=2.1×10-12C/N,压电常数虽小,但时间和温度稳定性极好,在20℃~200℃范围内,其压电系数几乎不变;达到573℃时,石英晶体就失去压电特性,该温度称为居里点,并无热释电性(了解更多)。另外,石英晶体的机械性能稳定,机械强度和机械品质因素高,且刚度大,固有频率高,动态特性好;且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中,有3个硅离子和6个氧离子,后者是成对的,构成六边的形状。在没有外力的作

压电陶瓷材料的主要性能及参数精选文档

压电陶瓷材料的主要性 能及参数精选文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-

压电陶瓷材料的主要性能及参数 自由介电常数εT33(free permittivity) 电介质在应变为零(或常数)时的介电常数,其单位为法拉/米。 相对介电常数εTr3(relative permittivity) 介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值,εTr3=εT33/ε0,它是一个无因次的物理量。 介质损耗(dielectric loss) 电介质在电场作用下,由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。 损耗角正切tgδ(tangent of loss angle) 理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0,但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗,电流超前的相位角ψ小于900,它的余角δ(δ+ψ=900)称为损耗角,它是一个无因次的物理量,人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小,它表示了电介质的有功功率(损失功率)P与无功功率Q之比。即: 电学品质因数Qe(electrical quality factor) 电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数,用Qe表示,它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样,则Qe=1/ tgδ=ωCR 机械品质因数Qm(mechanical quanlity factor) 压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之

比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为: 泊松比(poissons ratio) 泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比,是一个无因次的物理量,用δ表示: δ= - S 12 /S11 串联谐振频率fs(series resonance frequency) 压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率,用f s 表示,即 并联谐振频率fp(parallel resonance frequency) 压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率,用f p 表示,即f p = 谐振频率fr(resonance frequency) 使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率,用f r 表示。 反谐振频率fa(antiresonance frequency) 使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率,用f a 表示。 最大导纳频率fm(maximum admittance frequency) 压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率,这时振子的阻抗最小,

压电陶瓷原材料的处理和选择

压电陶瓷原材料的处理和选择 压电陶瓷主要工艺介绍 原材料的本质将对压电陶瓷的最终性能产生决定性的影响。压电陶瓷与传统的陶瓷最大的区别是它对原料的纯度,细度,颗粒尺寸和分布,反应活性,晶型,可利用性以及成本都必须加以全面考虑和控制。 原材料在很大程度上,可决定压电陶瓷元件性能参数的高低,对工艺的顺利进行有重要影响因此,对所用元材料的性能必须有所了解,选择原材料必须符合经济合理的原则。 压电陶瓷所用的各种原料,一般都是各种金属氧化物,有时也采用各种钛酸盐,锆酸盐,锡酸盐,铁酸盐和碳酸盐等。目前压电陶瓷生产上所用的各种原材料,具有很强的地方性,原材料的质量往往随产地和批号的不同而有很大的区别和差异。严重影响了生产质量的稳定性。因此掌握原材料质量对产品性能的影响,进而在生产中预以有效的控制,对确保产品的质量有很大的现实意义。 总的来说,压电陶瓷材料所用的原材料可以分为化工原料和矿物原料二大类。凡是经由化工厂加工处理而提供的原料称为化工原料如BaCO3. SrCO3. CaCO3. MgCO3. Pb3O4. TiO2. ZrO2. Nb2O5. La2O3等,而直接由矿山开采,只经过适当加工的原料就称为矿物原料。常用的矿物原料有粘土,长石,石英,滑石,菱镁矿,大理石,白云石等。 一般的日用瓷,普通的电工瓷和部分的无线电陶瓷如{滑石瓷等}几乎都是用矿物原料配成的,而压电和强介电容器等无线电陶瓷则几乎完全是由化工原料配制而成的。 原料的纯度,细度,{或称粒度}和活性是衡量原料质量的三个重要指标。不论制造钛酸钡,钛酸铅,还是制造二元系锆钛酸铅以及三元系铌镁酸铅等压电陶瓷元件,二氧化钛,二氧化锆,氧化铅或四氧化三铅等,都是主要原材料,一般都在10~60%范围内。 一. 原料的纯度 纯度就是原料的纯净程度,相对来说也是指原料的含杂程度。纯度越高的原料所含的杂质种类和数量越少。化工原料按纯度可分为工业纯和试剂纯二大类。而试剂纯的原料按纯度高低又可分为四级,各种化工原料的主要特点如表1所示。工业纯的原料生产量大,供应稳定,同批产品的一致性和活性都较好,价格也较便宜。因此在能够保证产品产量的前提下应该尽可能选用工业纯原料,以降低成本;但工业纯原料的纯度较低;不同批号原料的纯度波动较大。试剂纯原料的纯度虽较高但在价格方面却要比工业纯原料贵几倍,至几十倍,纯度高的原材料,固然含杂质少,但烧结温度较高,最佳烧结温度也较窄,给烧结带来一定的困难。工业纯原料的纯原料的纯度不高,但是对陶瓷产品性能危害的杂质只有一,二种,因此如果在化工厂采取特殊措施除去这些杂质,又添加某些能改善性能的微量添加剂,而不进行全面的提纯,则不仅原料的成本将进一步大幅度降低,也能更符合陶瓷生产的要求。纯度较低的一些元材料,有的杂质还可以在烧结过程中起到矿化剂或助溶剂的作用,反而使烧结温度较低,最佳温度范围较宽,在一定程度上起到有利作用。这种特定的工业纯原料有时也称为“陶瓷纯”或“电容器纯”。 原材料中含有各种各样的杂质,对压电陶瓷元件的不同型号,配方的作用和影响也各不相同。所以应区别对待,对具体情况需具体分析。对产品性能和工艺过程最敏感的原料应选择较高的纯度;与原料的化学性质相近,能形成置换式固溶体的杂质的最高含量可以略高;对那些能使晶格发生严重畸变的杂质,或者能在晶体中产生自由电子和空穴的“施主杂质”和“受主杂质”以及变价过渡元素{SiO2}的最高含量必须严格控制,有时这类杂质即使只有0.1wt%就会使物理性能严重恶化而完全失去使用阶值。如K+,Na+,等卤族元素将使铁电,压电陶瓷材料的绝缘电阻显著降低,使极化时容易击穿,损耗增大,介电常数和机电耦合系数Kp下降,其总含量控制在0.01%以下。一般来说,在制作PZT压电陶瓷元件中,二氧化钛,二氧化锆和四氧化三铅可采用工业级材料,它们的纯度均能达到98%以上。实际生产中原材料的主成分含量都是采用化学分析方法测定,杂质含量则常在已有经验基础上采用半定量的光谱分析,必要时也可进行x射线衍射分析和电子探针微区分析。 对不同原材料所含不同杂质的允许量是不同的。这主要根据下述三个因素来决定: 1 杂质的类型可分为有害与有利两种。一类是有害杂质,特别是异价离子,如硼B,碳C,磷P,硫S,AL等。由于它们对制品的绝缘,介电性能产生极大影响,有时既使配料中含量在0.1%以下,影响也很大。因此,要求象这类有害杂质的量越少越好。另一类是有利杂质,对与铅离子Pb2+同属二价或与钛离子Ti4+,锆离子Zr4+同属四价,而离子半径相近,能形成置换固溶体的杂质,如钙Ca2+,锶Sr2+,钡Ba2+,镁Mg2+,锡Sn2+,鉿Hf4+等离子。这类杂质离子在配料中可以允许含量稍高一些,一般在0.2~0.5%范围内,对制品性能没有坏的影响,对工艺反而有利。接

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用

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 压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低,当受到外力作用发生形

压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析The final revision was on November 23, 2020

压电陶瓷的性能参数解析 制造优良的压电陶瓷元器件,通常要对压电陶瓷性能提出明确的要求。因为压电陶瓷性能对元器 件的质量有决定性的影响。因此,要讨论和认识压电陶瓷的元器件,就必须首先要了解压电陶瓷 的性能参数与量度方法。压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性和弹性性能外,还具有 压电性能。压电陶瓷经过极化处理之后,就具有了各向异性,每项性能参数在不同方向上所表现 的数值不同,这就使得压电陶瓷的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷的众多 的性能参数是它被广泛应用的重要基础。(1)介电常数介电常数是反映材料的介电性质,或极化性质的,通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大,而高频压电陶瓷元器件则要求 材料的介电常数要小。介电常数ε与元件的电容C,电极面积A和电极间距离t之间的关系 为ε=C·t/A (1-1) 式中,各参数的单 位为:电容量C为F,电极面积A为m2,电极间距t为m,介电常数ε为F/m。有时使 用相对介电常数εr(或κ),它与绝对介电常数ε之间的关系为εr=ε/εo (1-2) 式中,εo为真空(或自由空间)的介电常数,εo=×10-12(F/m),而εr则 无单位,是一个数值。压电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体,这是沿1(x)、 2(y)、3(z)方向的介电常数是相同的,即只有一个介电常数。经过极化处理以后,由于沿极化方 向产生了剩余极化而成为各向异性的多晶体。此时,沿极化方向的介电性质就与其他两个方向的 介电性质不同。设陶瓷的极化方向沿3方向,则有关系ε11=ε22≠ε33 (1-3)即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε11和ε33。由于压电陶瓷存在压电 效应,因此样品处于不同的机械条件下,其所测得的介电常数也不相同。在机械自由条件下,测 得的介电常数称为自由介电常数,在εT表示,上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件 下,测得的介电常数称为夹持介电常数,以εS表示,上角标S表示机械夹持条件。由于在机械 自由条件下存在由形变而产生的附加电场,而在机械受夹条件下则没有这种效应,因而在两种条 件下测得的介电常数数值是不同的。根据上面所述,沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电 常数,即ε11T,ε33T,ε11S,ε11S。 (2)介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在 内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。 在交变电场下,介质所积蓄的电荷有两部分:一 种为有功部分(同相),由电导过程所引起的; 一种为无功部分(异相),是由介质弛豫过程所 引起的。介质损耗的异相分量与同相分量的比值 如图1-1所示,Ic为同相分量,IR为异相分 量,Ic与总电流I的夹角为δ,其正切值为 (1- 4)

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