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壓 電材料

壓 電材料. 碩研電子一甲 學 號 :MA230115 學生 : 夏敏哲 指導 教授 : 鄭建民. 前言. 壓電材料具良好的機械能與電能轉換特性，為一種智慧型的材料。 具有低成本與高效率的優勢，使其在傳統的產品運用外產生新的市場機會。. 目錄. 壓電效應 正壓電效應 逆壓電效應 壓電材料 各壓電材料優缺點. 壓 電 陶瓷 壓電陶瓷 製程及參數 壓電 應用 壓電 振盪 無鉛壓電材料. 何謂壓電效應.

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  1. 壓電材料 碩研電子一甲 學號:MA230115 學生:夏敏哲 指導教授:鄭建民

  2. 前言 • 壓電材料具良好的機械能與電能轉換特性，為一種智慧型的材料。 • 具有低成本與高效率的優勢，使其在傳統的產品運用外產生新的市場機會。

  3. 目錄 • 壓電效應 • 正壓電效應 • 逆壓電效應 • 壓電材料 • 各壓電材料優缺點 • 壓電陶瓷 • 壓電陶瓷製程及參數 • 壓電應用 • 壓電振盪 • 無鉛壓電材料

  4. 何謂壓電效應 • 壓電效應，此現象最早是1880年由皮埃爾·居里(Pierre Curie)和雅克·居里（Jacques Curie）兄弟發現。壓電效應(piexoelectrics)是材料中一種機械能與電能互換的現象，壓電材料會有壓電效應是因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。 • 壓電效應有兩種，正壓電效應及逆壓電效應。

  5. 正壓電效應 • 正壓電效應(機械能轉為電能) 當對壓電材料施以物理壓力時 ，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短 ，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料表面產生正負電荷 ，以保持原狀 ，如圖

  6. 逆壓電效應 • 逆壓電效應(電能轉為機械能) 當在壓電材料表面施加電場(電壓) ，因電場作用時電偶極矩會被拉長 ，壓電材料為抵抗變化 ，會沿電場方向伸長 ，如圖

  7. 壓電材料 • 壓電材料： (1)單晶體(signal crystal)：如石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)。 (2)薄膜類(thin film)：如氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)。 (3)陶瓷類(ceramic)：如鈦酸鋇(BT)、鋯鈦酸鉛(PZT)。 (4)聚合物(polymer)：如PVDF。

  8. 各種壓電材料的優缺點 • 壓電單晶 優點：有良好的溫度特性。 缺點：製程困難。 • 陶瓷壓電材料 優點：抗酸鹼，機電耦合係數高，易製程任意形 狀。 缺點：溫度係數大，需高壓極化處理(kV/mm)。 • 高分子壓電材料 優點：低聲學阻抗特性，柔軟可做極薄的元件。 缺點：壓電參數小，需極高的極化電場(MV/mm)。

  9. 壓電陶瓷 • 壓電陶瓷是一種可以使電能和機械能相互轉換的特殊陶瓷材料。它主要是藉由燒結而形成的一種多晶材料，由許多粒徑在幾個微米左右的小晶粒所組成，主要成分是鉛、鈦和鋯的氧化物 。 • 壓電陶瓷→壓力→電位差 　　　　→電壓→ 機械應力 　　　　　→高頻振動→ 高頻電流 　　　　　→高頻的電訊號→高頻的機械振動。

  10. 壓電陶瓷製程 • 壓電陶瓷粉料主要係由鋯鈦酸鉛(PZT)所組成, 在加入氧化鋯(ZrO2)，及氧化鉛 (PbO)及氧化鈦(TiO2)等的粉末原料內，適當添加微量的添加物後，經由數道嚴謹製作加工程序而成。 • 在完成陶瓷粉料後，再利用壓機使之壓縮成各種規格，形狀，接著在1350 ℃ 左右溫度下進行燒結，所得的成品在完成極化作用後，就是壓電陶瓷晶片。

  11. 鋯鈦酸鉛(PZT) • PZT = PbTiO3＋PbZrO3 • PZT因具有良好的壓電特性，在被發現之後就被廣泛地運用在各種壓電裝置。

  12. 燒結 • 燒結 (sintering)是一種利用熱能使粉末坯體緻密化的技術。 • 其具體的定義是指多孔狀陶瓷坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙率降低、力學性能提高的緻密化過程。

  13. (1) 極化前 (2)極化中 (3)極化後 極化 • 極化是成為壓電材料的一個重要的程序，經過極化後，將原本雜亂的極子，使其成為規則排列的極子，而極化的電壓必須大於2000v/mm。

  14. 壓電應用 壓電陶瓷按照應用分類共分爲七大類： 一、 壓電振盪及材料 二、 壓電聲電元件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 三、 壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、 超音波探測 四、 資訊處理元件：濾波器、諧振器、檢波器、監頻器、表面聲波、 延遲線 五、 動力裝置：點火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達、 壓電變壓器 六、 壓電感測器：速度、加速度計、角速度計、微位移器 七、 光電元件：光調節器、光調節閥、光電顯示、光資訊儲存、 影象儲存和顯示

  15. 五色櫻橋 • 在東京的五色櫻橋，除了要負荷龐大交通量，還承載了未來發電的曙光，供應橋上的燈光，其實有一小部分就是利用壓電材料，回收車輛振動能來發電。

  16. 無鉛壓電材料 • PZT因為製造的簡單成本低廉，以極優異的壓電特性，在民生、國防、工業、與醫療應用上有重要的地位，但是因為PZT有高含量的鉛(Pb)，在製造過程與廢棄物的處理上對環境造成相當大的衝擊，隨著環保意識的提升，以無鉛壓電陶瓷取代PZT含鉛陶瓷是必然的趨勢。

  17. Li0.03(K0.5Na0.5)0.97 (Ta0.1-xSbxNb0.9)O3+Bi2CO3

  18. 配粉公式 K2CO3:[(39.0983*2)+12+(16*3)]/2 =69.0983 69.0983*0.5*0.97=33.512(1mole) Na2CO3:[(22.98977*2)+12+(16*3)]/2=52.98977 52.98977*0.5*0.97=25.7 Li2CO3:[(6.941*2)+12+(16*3)]/2=36.941 36.941*0.03=1.108

  19. 配粉公式 Nb2O5:[(92.90638)*2+(16*5)]/2=132.90638 132.90638*0.9=119.66 Bi2CO3:[(209*2)+12+(16*3)]/2=239 239*0.003=0.478 X=0.03 Ta2O5:[(180.94788*2)+(16*5)]/2=220.94788 220.94788*0.07=15.4663516 Sb2O3:[(121.75*2)+(16*3)]/2=145.75 145.75*0.03=4.3728

  20. 實驗步驟 A.B-site 粉末混合 球磨24h 烘乾24h 球磨24h 烘乾24h 煆燒910℃ 持溫2h 與Bi 粉末混合 燒結 (1060OC 持溫2H) 壓塊材 (10mm 190MPa) 球磨24h 烘乾24h 去黏劑 (200.400.600℃,持溫2h) 添加黏劑、過篩 極化(3.5kV/mm,0.5h,150oC) 兩面拋光、旋塗電極 介電量測 SEM、XRD 側面拋光 壓電測量

  21. 參考資料 • http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1007111300030 • http://www.youtube.com/watch?v=jJHftLKhfZY • http://fshare.stust.edu.tw/retrieve/31445/index.html • http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9902/9902-10.pdf • http://www.shs.edu.tw/works/essay/2013/03/2013031521043897.pdf • http://thesis.lib.stust.edu.tw/theabs/site/sh/detail_result.jsp

  22. THEEND

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