压电陶瓷基本知识

念
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压电陶瓷的基本概念
三 ➢ 铁电晶体中存在着自发极 个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
➢ 对于自发极化而言，从宏 观统计来看，晶体中存在 着各个方向的自发极化， 它们相互抵消，宏观上对 外不呈现极性。
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压电陶瓷基本概念
三 2、人工极化
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压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
➢ 介电常数ε ➢ 介质损耗tanδ
➢ 机电耦合系数Kp ➢ 机械品质因数Qm
➢ 频率常数N
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压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电 位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。其数值的大 小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方 向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以下 关系式：
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
源自文库
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
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压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
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压电陶瓷的基本概念
➢ 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经 极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出 现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电 荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷 ，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
瓷制作超声换能器、高频换能器、压
力传感器、滤波器等的应用研究。
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发展历史
1954
美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅 (PZT)具有非常强和稳定的压电性， 促使压电器件的应用研究又大大地向 前推进了一大步。
后来
为了保护地球和人类的生存空间，防 止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未 来研究和应用的方向。
➢ 将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好 的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电 陶瓷。
➢ 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元 系压电陶瓷等。
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石英晶体和压电陶瓷的比较
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。
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压电陶瓷的基本概念 ➢压电陶瓷的原理：压电效应
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。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 压电效应的本质
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
个 ➢ 人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并 重 保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使 要 其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处 概 理前后的变化情况。 念
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压电陶瓷的基本概念
三 3、铁电陶瓷
个 ➢ 某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发 重 极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为 要 铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷. 概 念
D= dT
式中d单位为库仑/牛顿（C/ N）
这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电 场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀为 收缩取决于样品的极化方向。
S= dE
式中，d的单位为米/伏（m/v）。
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压电陶瓷的主要性能参数
对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的， 即有关系：
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压电陶瓷基本知识
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压电陶瓷的基本知识
➢ 发展历史 ➢ 压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电陶瓷的主要性能参数 ➢ 压电陶瓷的制作工艺 ➢ 压电陶瓷的应用 ➢ 市场发展前景与方向
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➢压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
各种规格的压电陶瓷片
整体看来， 晶粒与晶粒的晶 格方向不一定相 同，排列是无规 则的。这样的结 构称其为多晶体。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
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压电陶瓷的基本概念
➢ 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材 料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧 化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧 化锌等。
➢ 在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶 体才有压电效应。
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。
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压电陶瓷的基本概念
三 1、自发极化
个 ➢ 120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，
重
Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电
要 荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转
概 变温度称为居里温度或居里点（Tc）。
Ｅ
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代
表形变后的情况）
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
极化 方向
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应示意图
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 正压电效应
晶粒的晶格取向示意图
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发展历史
居里兄弟首先发现电气石的压电效
1880 应，从此开始了压电学的历史。
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
1881 给出石英相同的正逆压电常数。
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发展历史
1942 -1949
发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电 常数和铁电性、压电性。后续解决了 极化问题。
50年代
美国日本先后利用BaTiO3压电陶
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。