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§9.5 压电陶瓷

§9.5 压电陶瓷. 压电陶瓷（ piezoelectric ceramics ） —— 具有压电效应的陶瓷材料 ， 即 能进行机械能与电能相互转变的陶瓷 ； 制备方便，成本低廉，发展迅速，一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用，甚至超过了压电晶体 。. 一、压电效应及陶瓷压电机制. 1. 压电效应 正压电效应 ：应力 晶体  产生电荷 逆压电效应 ：电压 晶体  应力（应变） 2. 压电性与晶体结构

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§9.5 压电陶瓷

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  1. §9.5 压电陶瓷 压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，即能进行机械能与电能相互转变的陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速，一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用，甚至超过了压电晶体。

  2. 一、压电效应及陶瓷压电机制 1. 压电效应 正压电效应：应力 晶体 产生电荷 逆压电效应：电压 晶体 应力（应变） 2.压电性与晶体结构 压电效应的本质：机械作用（应力与应变）引起晶体介质的极化，从而导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷——不具有对称中心的晶体才具有压电性。 32种点群中，不具有对称中心的有21种；除43外，20种有压电效应；10种极性晶体，有唯一极轴，除具有压电性外，还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因而也是压电体。 压电效应

  3. 3. 压电陶瓷 • 陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互抵消； • 人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压电陶瓷。

  4. 表征参数机电偶合系数K K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、 弹性系数S和频率常数N等。 or：

  5. 主晶相结构 钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。 • 目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。 • 其它几种重要的压电陶瓷包括 PbTiO3- PbZrO3； Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3； Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3； Na0.5K0.5NbO3；Pb0.6Ba0.4Nb2O6； BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。

  6. 图9.5.1 BaTiO3陶瓷的 介电温度特性 二、生产工艺 1. 组成 • BaTiO3陶瓷是最早发现的铁电陶瓷，也是第一个进入实用的压电陶瓷； • T<Tm时，BaTiO3有立方四方斜方三方等晶相，5～120℃是稳定的四方相； • T↘~120℃时，立方四方，并伴随自发极化，介电常数出现峰值，因而具有很好的压电性能； • 在靠近0℃时存在的四方斜方相转变，其压电性和介电性都会发生显著的改变；

  7. 一般陶瓷的工作温度范围为-55℃～+85℃，总希望在较宽的工作范围内不存在相变点；一般陶瓷的工作温度范围为-55℃～+85℃，总希望在较宽的工作范围内不存在相变点； • 为了移动相变点，出现了一系列以BaTiO3为基的固溶体，如BaTiO3—CaTiO3系统，BaTiO3—PbTiO3系统等。 超声换能器陶瓷材料配方 BaTiO3 92 % mol 88 % mol CaTiO3 8% mol 4 % mol PbTiO3 8 % mol 外加MnO2 0.2 % wt 居里温度 120℃ 160℃ 第二相变点 -45℃ -50℃

  8. 锆钛酸铅（PbTiO3—PbZrO3，缩写PZT）陶瓷: Tc>300℃, 在-50℃～300℃范围内无相变点，压电常数比BaTiO3大二倍多，因此，它是目前品种最多，产量最大，应用最为广泛的压电陶瓷。 2.生产工艺 配料研磨预烧再研磨成型烧成极化等，以PZT为例对几个比较关键的过程进行讲解: （1）预烧 作用：各组分反应，合成Pb(ZrTi)O3原料，分为四个阶段： 第一阶段：T<650℃，有一吸热峰，Pb3O4脱氧;

  9. 图9.5.2 PZT合成时的热效应与相变化 第二阶段：650℃～756℃，发生化学反应： 第三阶段：840℃，出现液相，835℃时电阻最低，形成锆钛酸铅固溶体，850℃反应基本完成； 第四阶段：840℃以后， PZT固溶体晶形 逐渐趋于完整。 其中:650℃保温1～2h, 生成PbTiO3 850℃保温2h， 生成Pb(ZrTi)O3 预烧：T太低，反应不完全； T太高，PbO大量挥发， 难以粉碎，活性↘。 为防止Ti4+还原，ε↘，氧化气氛烧结。

  10. （2）烧成 PZT坯体成形后，还要煅烧，影响烧成的因素： A.组分中活性离子多，则易烧结； 为满足不同使用要求，可在PZT中添加某些元素进行改性 B.添加物 软性添加物：La, Nd, Bi, Nb等，可形成阳离子空位，加速离子扩散，促进烧结； 硬性添加物：Fe, Co, Ni, Mn等，产生O2-空位，晶胞收缩，降低离子扩散速度，难于烧结； 产生液相的添加物：如MgO，使T烧结↘，ΔT ↘ ，加速烧结过程； 晶格产生畸变的添加物：促进烧结过程的进行； 限制晶粒长大的晶界分凝添加物：如Fe3+、Al3+、 Nb3+、Cr3+、Ni3+等，能改善陶瓷的机械性能；

  11. C. 烧结气氛 • 氧化气氛中进行，同时要控制PbO的挥发，尽量设法降低烧成温度和避免在高温阶段保温时间过长，以防止晶粒长大； • 为了防止PbO挥发，常采取的措施是：密封，把样品埋入熟粉料中；加气氛片(PbZrO3片)；或在配料中适当使Pb过量。 （3）极化 直流极化 交直流混合极化 （先交流、后直流，人工老化处理，提高性能稳定性）

  12. 影响极化的因素： • 极化电场：E>Ec(矫顽场) 2～3Ec, 太大会引起击穿； • 极化温度：T↗,电畴取向容易，极化效果好， T过高，击穿强度降低； • 极化时间：t ↗，效果好，几～几十 min； PZT极化条件： • E: 3~5MV/m • T: 100~105℃ • t: 热油：5min，冷油：20min

  13. 三、压电陶瓷的应用 • 1880~1940：压电晶体； • 上世纪40年代中期：BaTiO3压电陶瓷问世； • 由于压电陶瓷具有突出优点，包括： • 制造方便，设备简单，成本低廉，不受尺寸大小限制，可以在任意方向极化; • 通过调节组分可以在很宽范围改变材料的性能，以适应各种需要； • 不溶于水，耐热耐湿； • 可以很方便地制成各种复杂的形状等。 • 近年来压电陶瓷的应用不断发展，在航天、通讯、超声技术、精密测量、红外技术等领域均得到广泛应用，是当代高技术中的一种重要的功能材料。

  14. 应用举例： • 陶瓷压电变压器，在雷达、电视显象管、阴极射线管、激光管、负离子发生器、静电复印机等高压电源和压电点火、引爆装置等应用； • 振荡器、压电音叉、压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源； • 探测地质构造、油井固实程度、无损探伤和测厚、催化反应、超声衍射、疾病诊断等各种工业用的超声器件； • 水下导航定位、通信和探测的声纳、超声探测、鱼群探测及传声器等水声换能器； • 可在信号处理中作滤波器，放大器，表面波导等器件；传感与测量领域作加速度计，压力计，角速度计，位移发生器等。

  15. 谢 谢！

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