第六章 压电陶瓷
压电陶瓷
比如在好多种打火机，和煤气灶中无需电池，能长期打出火花来煤气点火时产生的电弧都是什么道理
其实在其简单的结构中，有一块经过激化处理的压电陶瓷压电陶瓷，这种经过处理的陶瓷有种特殊的功能，当有铁球冲击压电陶瓷就会产生上万伏的电压，进行放电；利用这种压电效应来做振动传感器，当有强弱跳动时，压电陶瓷收到感应便把振动转为电能，可用作电子血压计；相反，如果在压电陶瓷上加上电压他就会产生振动现象。
这种现象在物理学中被称作逆压电效应；利用陶瓷压电这种功能，提供振动；用作蜂鸣器，扬声器；其价格不仅便宜，而且能进行精确的控制振动强度；
陶瓷压电片的结构是一块铜制圆形电极
除此以外压电陶瓷产生和接收超声波，理这种特性科学家们发明了很多超声波仪器，如B超寻找病源。
压电陶瓷是新材料中的一员，他所产生的形变效应并且形变而产生的压电效应；我们就用压电陶瓷产生的形变效应为振动源，来让排钟盘震动起来。
这里有振动时强度公式。
变形量S()和电场强度(E)以及压电应变常数（d）有这样的关系：
S
dE
陶瓷压电接线方式图
2.1
但是在排钟的过程中除了不仅要振动而且要求振动可变，来调节振动强度我频率来实现对排钟速度额控制，因此这里我们用参数计算，将其对应的振动频率和电压进行量化；电压V 频率f ，电流A，这里涉及道德参数做实验验证；利用正交试验验证振动强度效果明显和理想状态，以及在工作。
压电陶瓷
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代） 所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子； （b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等 取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、 压力传感器、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促 使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃） 工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即 频率常数。
其中：
N=f0L
《压电陶瓷》课件
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
压电陶瓷ppt课件
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造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
压电陶瓷的工作原理与应用
压电陶瓷的工作原理与应用1. 什么是压电陶瓷？压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有特殊的物理性质。
当施加压力或电场时，压电陶瓷会发生正比例的形变或电荷分布变化。
其工作原理基于压电效应，即通过施加压力或电场激发压电陶瓷产生形变或电荷分布的变化。
压电陶瓷材料主要由氧化物和复合材料组成，具有稳定的物理和化学性质。
2. 压电陶瓷的工作原理压电陶瓷的工作原理基于压电效应，分为压电效应和逆压电效应两种模式。
2.1 压电效应压电效应是指当施加机械应力于压电陶瓷时，会在材料内产生电荷分离。
这种电荷分离是由于晶格结构的变化所引起的。
压电效应的量级与施加的压力成正比。
压电效应是压电陶瓷实现能量转换、传感和控制的基础。
2.2 逆压电效应逆压电效应是指当施加电压于压电陶瓷时，会导致陶瓷的形变。
施加电压使得陶瓷内部的电荷重分布，进而引起形变。
逆压电效应可以通过改变施加的电压来精确控制压电陶瓷的形变，因此广泛应用于执行器和传感器等领域。
3. 压电陶瓷的应用压电陶瓷由于其独特的物理性质和工作原理，在众多领域中有着广泛的应用。
3.1 压电陶瓷传感器压电陶瓷传感器是利用压电效应对外界压力或应力进行测量的传感器。
通过安装压电陶瓷传感器可以实现对力、质量、压力等物理量的测量和检测。
压电陶瓷传感器广泛应用于工业自动化、航空航天等领域中。
3.2 压电陶瓷应用于超声波技术压电陶瓷在超声波技术中起到重要的作用。
通过施加交变电场，压电陶瓷可以产生超声波。
超声波技术在医学成像、材料检测和土木工程中有着广泛的应用。
3.3 压电陶瓷控制器压电陶瓷控制器是通过施加电压控制陶瓷的形变的装置。
压电陶瓷控制器可以用于精确控制执行器、阀门等的位置和形变。
在精密仪器、机械控制等领域中被广泛应用。
3.4 压电陶瓷用于发电压电陶瓷可以通过压电效应转换机械能为电能。
将压电陶瓷放置在机械振动环境中，可以利用振动能量产生电能。
这种方法在一些低功率应用中具有潜力，如自动感应式无线传感器等。
压电陶瓷
压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。
他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。
接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。
此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
压电陶瓷培训材料
是综合反映陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电陶瓷 材料性能的重要参数。
2018/11/12
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(3) 弹性系数：
根据压电效应，压电陶瓷在交变电场中，会产生交变伸长和收缩，从而形 成与激励电场频率相一致的受迫机械运动。对于具有一定形状、大小和被 覆工作电极的压电陶瓷体称为压电陶瓷振子。实际上压电陶瓷振子谐振时 的形变是很小的，一般可以看作是弹性形变。反映材料在弹性范围内应力 与应变之间关系的参数为弹性系数。
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雾化片
利用压电元件的逆压电效应，将电能转换 为机械能的新型驱动装置
在 32类晶族中，只有 21种无对称中心，由于其中一种的压电常数为零，故有 20种可
以有压电效应，在这 20种压电性晶体中的 10种具有自极化效应， 称为极性晶体 ， 又因为受热可以产生电荷，故又称为热释电晶体。
极性晶体:因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是铁电晶体。
反过来说，凡是铁电晶体必然是热释电晶体，而热释电晶体也必然是压电晶
Байду номын сангаас
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医用超声换能器 在负荷变化时 , 夹心换能器能产生 稳定的超声波，广泛应用于超声 波清洗机及工业用大功率清洗设 备。
压电粒子主要应用于烤炉，煤气点火等装置内的 PUSH-BUTTON 等点火器内，利用压电效应，压电粒子由于被施加作用力产生达 几万伏的高压，从而达到点火作用。
体结构的形式存在，如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等。式中的A为 半径较大的正离子，B为半径较小的正离子，A离子的化合价可以是 +1、
+2、+3；B离子的化合价可以是+5、+4、+3；负离子通常是氧离子，也
6.3压电陶瓷教程
（5）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。 一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面， 并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原 为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对 于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金 作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处 理。
（6）极化
压电陶瓷的结构
大多数压电陶瓷的结构为ABO3，为钙钛矿结构。
压电陶瓷结构
在居里点以上，钙钛矿结构为有对称中心的立方晶 系，钛离子处于氧八面体中心，中间孔隙大于钛离子 的体积，钛离子可以偏离中心位置，但几率相同，不 显示极性，在居里点以下，晶型转变为四方晶系，C轴 拉长或变短，钛离子偏离中心，形成正负电荷中心不 重合，晶胞产生极化，称为极化，晶体内出现的自发 极化方向一致的小区域叫做电畴。相临个电畴之间的 相交角只能是180或90度。电畴相交的界面叫做畴壁。
目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为压电
压电陶瓷的应用领域
应用领域 举 例
电
源
雷达，电视显像管，高压电源，点火装置
振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器 超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗 滤波器，放大器，振荡器，混频器
信号转换 发射接收 信号处理
传感计测
存贮显示 其 它
加速度计，压力计，角速度计，红外探测器
成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比
为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%； 在90℃下搅拌溶化）。
成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑
或排胶。通常排塑温度800~850℃，保温时间1小时左 右。
（4）烧结
烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范
简述压电陶瓷
简述压电陶瓷简述压电陶瓷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，是一种具有压电效应的陶瓷材料。
与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。
它具有压电效应。
所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。
前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。
目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。
由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。
一些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的现象，称为压电效应。
具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。
如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。
此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。
由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
_new_06第六讲 压电陶瓷的应用
P1
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图 2 石英晶体压电模型
⑵压电陶瓷： 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。当对其施加一个与极 化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电 荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强， 而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时， 将会出现充电现象。
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。 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。
电子钟表的工作原理
是根据“电生磁、磁生电”的物理现象设计而成。即由电能转换 为磁能，再由磁能转换为机械能，带动时分针运转，达到计时目 的。 1、晶体管摆轮钟 以干电池为能源，用晶体管作为开关，摆轮游丝为振荡系统，统 一机芯为J1型，外形与普通闹钟一样。 2、晶体闹钟 与晶体管摆轮钟一样性能，加上一个由电能供给的闹时装置。 3、晶体管摆钟 用电子电路控制摆作为振荡元件，外形与机械摆钟相似。 4、石英钟 用“石英晶体”作为振荡器，通过电子分频去控制马达运转，带 动指针。走时精度很高。品种有台钟、挂钟、日历钟、闹钟、音 乐钟、落地钟，也有汽车钟、舰船钟、天文钟等各种技术用钟。 5、数显钟 也用石英晶体作为振荡器，直接用发光管或液晶显示时间，不用 机械传动。具有时、分、秒、日历、周历、月历等多种功能。 6、电子表 以电池为能源代替发条，不用手上弦，有多种结构，外形同机械 手表，统称电子手表。
压电陶瓷的工作原理及其应用
压电陶瓷的工作原理及其应用1. 什么是压电陶瓷嘿，朋友们，今天咱们就聊聊一个神奇的材料——压电陶瓷。
乍一听这个名字，可能会让你觉得有点高大上，但其实它可比你想的要简单有趣多了！压电陶瓷是一种能够把机械压力转化为电能的陶瓷材料。
听着是不是感觉像魔法？其实，这就是科学的魅力所在！它们就像是“电力小精灵”，无论我们是用手一碰，还是给它施加点压力，它们就能乖乖地输出电流，太神奇了吧！1.1 工作原理说到工作原理，咱们就要提到“压电效应”了。
简单来说，压电效应就是那些陶瓷在受到压缩时，内部的分子结构发生了变动，从而产生电荷。
这种原理就像我们玩橡皮泥，捏捏搓搓后，形状有了变化，当然，压电陶瓷一旦受到力的作用，电流便会流动起来！所以乍一看，这可不是一个传统的电池，但说它是一个“力”的发电机，应该是无可厚非的。
同样，它也能反向运作——当施加电压时，陶瓷会发生微小的形变，变得扭来扭去，宛如小舞者一样，摸起来可是特别有趣哦。
1.2 材料构成说到这里，有人可能会好奇，压电陶瓷到底是什么“做”的呢？实际上，它们一般是由一种叫做钛酸铅或锆钛酸铅的化合物制成的。
这些材料在高温下经过特殊处理，就能形成压电特性。
嘿，这听起来是不是好像科学实验室里那些复杂的步骤？别担心，这只是为我们赠送了这些神奇小玩意的“开机”密码！而且，压电陶瓷的种类也很多，像是单晶压电材料、陶瓷复合材料等等，各种各样的人才齐上阵，因为不同的应用需求，各有所长嘛。
2. 压电陶瓷的应用说完了原理，咱们再聊聊这些压电陶瓷到底能在哪儿派上用场。
其实，咱们的日常生活中，很多地方都藏着它们的身影哦。
比如说——声纳和麦克风，这些小玩意能把声波转化成电信号，或者把电信号转化为声波，而其中的关键材料就是压电陶瓷。
是不是感觉涨知识了呢？此外，在医疗器械中，超声波诊断仪也是用得上压电陶瓷，通过振动产生声波图像，助医生“大显神通”呢！2.1 家庭中的应用你还知道吗，在咱们的家庭中，压电陶瓷其实也贡献了不少力量呢！比如常见的点火器，尤其是在烧烤的时候，叮的一声，火就起来了，这可全靠压电陶瓷的的“点石成金”之功。
压电陶瓷
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。
压电陶瓷ppt课件
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。
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。
2
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。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
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。
4
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。
§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。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制
2010电子陶瓷第六章第一讲
T2 T3 T4
d32 d33 d34 d35 d36
6
Si sijTj (i 1,2,6) j 1
第六章 压电与铁电陶瓷
广义虎克定律也可表示为：
T1 T2 T3 T4 T5 T6
c11 c21 c31 c41 c51 c61
c12 c22 c32 c42 c52 c62
c13 c23 c33 c43 c53 c63
c14 c15 c16 c24 c25 c26 c34 c35 c36 c44 c45 c46 c54 c55 c56 c64 c65 c66
T1 T2 T3 T4 T5 T6
第六章 压电与铁电陶瓷
sij为弹性柔顺系数，实际是一个四阶对 称张量sikjl ，单位为m2/N。
sikjl应该有81个分量， 做了简化处理后， sij有36个分量， 其中独立的分量最多为21个分量。
第六章 压电与铁电陶瓷
上式也可简化为：
S23=S32 、S12=S21 、S13=S31
T、S均只有6个独立分量
第六章 压电与铁电陶瓷
可以令： 三个法向应力： T11T1; T22T2; T33T3;
三个切向应力： T23T4; T13T5; T12T6;
T T ( 1,2,3,4,5,6)
T11
T12
T13
T T21 T22 T23
晶体的应力T、应变S的关系在应变不太大 的情况下满足广义虎克定律：
S1 S2 S3 S4 S5 S6
s11
s21 s31
s41
s51
s61
s12 s22 s32 s42 s52 s62
s13 s23 s33 s43 s53 s63
s14 s24 s34 s44 s54 s64
压电陶瓷
BACK
配料
成型
排塑
老化 测试
混合 磨细
造粒
烧结 成瓷
高压 极化
预烧
二次 磨细
外形 加工
被电 极
BACK
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。 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。 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。 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。
• 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，而它自身消耗很少的一部分功率。
BACK
声纳
• 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神 不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻 找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海 水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是 声纳。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇 到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇 的方位、距离等。
BACK
高压发生器
声音转换器
声纳
谐振器
滤波器
超声波
其他运用
BACK
声音转换器
• 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逆压电效应产生振 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，就是通过逆压电效应把交流音 频电信号转换为声音信号。
第6章压电陶瓷材料及其应用1
第六章 压电陶瓷及其应用
压电材料在电子材料领域已占据相当大的比重， 并在各行各业得到了广泛应用。在电子学领域，如信 号处理、存贮显示、接收发射、计测、信号发生器及
416 415 414 413 412 411 410 409 0
a’ (a2c)1/3
a'，c'/pm
c’
200 300 T/°C PbZrO3瓷的晶胞参数与温度的关系
100
400
由于PbZrO3与PbTiO3结 构相似，且Zr与Ti离 子半径相近，故二者 可无限固溶。在不同 温度下，其晶型结构 及晶胞参数也会发生 变化。
2） PbTiO3系压电瓷
PbTiO 3 也属钙钛矿结构的铁电体，居里温度为 490 ℃。在此温度下会发生顺电立方相与铁电四方相 的转变。其相变前后晶胞参数的变化与BaTiO3类似，
但 PbTiO3的 c/a=1.063 ，较 BaTiO 3的 c/a=1.01大，即
具有更大的各相异性。
PbTiO 3 的矫顽电场大，故对其极化较困难。前
乏足够的结合能力，当瓷体由顺电相转变为铁电相时，
缓冲，可防止粉化，提高机械性能。
压电陶瓷的晶粒粗细，也很大程度上决定陶瓷的 机电耦合系数。这是由于在具有微粒结构的陶瓷中， 大量致密粒界的出现，既有利于自发极化的定向，也 能使逆压电效应带来的大量几何形变和应力得到缓冲， 这种缓冲作用，使大量机械能不能以适当的方式充分
a) 结晶的各向异性随温度升高而下降
对 PbTiO 3 ，在室温时， c/a=1.063 ；在 200 ℃时， c/a=1.050，即温度升高，c/a减小,电畴作90°转向所 造成的内应力下降，即电畴转向所受阻力下降，极化 容易进行。 对PbTiO3，在室温时，10kV/mm仍不能完全极化； 而在200℃时，用5.5kV/mm即可充分极化。
特种陶瓷 课件 6.3 压电陶瓷(2009.11.13)
本课件将介绍压电效应的基本概念，压电陶瓷的结构与特性，应用领域以及 制备方法，性能测试，优势与不足，最后做个结论和总结。
压电效应的基本概念
压电效应是指某些材料在受到机械应力或变形时，会在其表面上产生电荷极性的变化，即在这些材料上会产生 电荷分布不均匀的现象。
晶体结构
良好的压电陶瓷材料晶体结构通 常为簇状，有助于产生良好的压 电效应。
压电系数
良好的压电材料应具有较大的压 电系数，以最大限度地提高其效 率。
反压电效应
压电陶瓷还可能发生反压电效应， 即当给陶瓷施加电场时，会发生 整体变形。
压电陶瓷的结构与特性
构造
压电陶瓷通常由钛酸钡等化 合物制成，具有簇状晶体结 构，能产生压电效应。
特性
压电陶瓷材料提供了一种将 电信号转换为机械位移、力 或压力的方法，广泛应用于 传感器、电机、振荡器、压 电石英等领域。
压电陶瓷的性能测试
1 压电系数测试
通过测试陶瓷的压电系数，来评估其压电效应的强度和质量。
2 介电常数测试
介电常数反映了材料在电场作用下所表现出来的性质，可以通过介电常数对材料进行性 能测试。
3 熔点测试
熔点是指压电陶瓷在高温下的熔化温度，常用来评估材料的耐高温性能。
压电陶瓷的优势与不足
优势
• 压电材料可以将电能转换为机械位移 • 具有压电共振频率稳定的特性 • 可加工为不同形状，满足不同需求
用途
由波振荡器、压电换能器、 压电马达、压电陶瓷电容器 等领域。
压电陶瓷的应用领域
传感器
计时器
超声波产生器
压电陶瓷传感器可用于测量气体、 温度、压力等参数，被广泛用于 制造自动化设备。
压电陶瓷的一种形式是压电石英， 可用于计时器、电子钟、电子计 算机和电子定时器，精度高。
6.3压电陶瓷详解
(3)超声波清洗 超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空 化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生 的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学 反应，达到清洗物件的目的。 清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用 10~500 kHz ，一般多为 20~50kHz 。随着频率的增 加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。 超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、 橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到 了越来越广泛的应用。
（2）预烧
经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的
是为了使化学反应充分进行。
实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽
的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果 偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间）， 也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时 间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。
电畴示意图
铁电性 极化随外电场转动的性质叫做铁电性。当外电场 变化时，可以使极化强度减少到零和使极化转向， 压电陶瓷都具有这一性质。 未经极化的压电陶瓷由于各电畴的自发极化方向 不一致，相互抵消，宏观极化强度为零。极化后各 电畴的自发极化在一定程度上按外电场的方向排列， 内部极化强度不为零，撤销电场后，大多数电畴还 沿原来电场方向排列，剩余极化不为零。在陶瓷的 上下表面出现电荷.
（5）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。 一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面， 并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原 为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对 于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金 作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处 理。
（6）极化
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随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来 越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和 开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。
第六章 压电陶瓷
二、压电效应 压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当 不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所 以其内部电场为零。 但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷 分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生 一个电场，这个电场就表现为压电效应。
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因
数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。 机械品质因数Qm的定义式是：
谐振时振子储存的机械 能
Qm 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1
)(
f
2 a
fr2 )
其中：
fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
第六章 压电陶瓷
d (pC/N) 33Fra bibliotek360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
Composition(x)
第六章 压电陶瓷
Q m
k p
1600
kp
0.60
Qm
1500
0.55 1400
0.50 1300
0.45 1200
二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷
相结构 晶体结构 居里温度 Tc 类别
<Tc >Tc
PbZrO3 钙钛矿结构
PbTiO3 钙钛矿结构
正交晶系
正交晶系
230℃
490℃
反铁电体
铁电体
c/a =0.981<1
c/a=1.063>1
立方顺电相
因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径 相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3， 简称PZT瓷。
PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4 ε=150，Kp=0.40,Qm=800~1000,温度和时间稳定性较好。
3PbTiO3+3.0wt%CeO2++0.3MnO2+2.53wt%Nb2O5 ε=230，Qm=1000
第六章 压电陶瓷
2)PbZrO3-PbTiO3体系 PbTiO3和PbZrO3都是钙钛矿型的结构，可以形 成连续固溶体， 其化学式为：Pb（Zr1-xTix）O3。 见书中图6-3的相图。 在相图中，在Zr/Ti=54/46附近，存在一个同质 异晶相界，又称为准同相界。在相界附近，由于 其结构极不稳定，因此介电性和压电性都能显著 提高。 有个问题：为什么靠近相界处的组成介电常数ε 和机电耦合系数Kp都出现极大值？而Qm却出现 极小值？
第六章 压电陶瓷
正压电效应：没有对称中心的材料受到机 械应力处于应变状态时，材料内部出现数量 相等、符号相反的束缚电荷，这种现象称为 正压电效应。
逆压电效应 ：当材料在电场作用下发生电 极化时，则会产生应变，其应变值与所加电 场的强度成正比，其符号取决于电场方向， 此现象称为逆压电效应。
压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应 的铁电陶瓷材料。
结果为：居里温度降低，介电常数显著增加，压电 系数有所增加，Kp值略有增加。（仅限在一定的 范围内）；
Sr2+部分置换Pb2+后，导致弹性柔顺系数有所 降低，因此使材料变硬；
置换后，导致轴率比c/a的降低，因此表现为 各向异性的降低；
第六章 压电陶瓷
❖ 置换后可以改变相界的位置，如Sr可以使相界向富Zr方向 移动；
第六章 压电陶瓷
1）一元压电陶瓷材料（PbTiO3） PbTiO3是钙钛矿型结构，室温下为四方晶系，单
元晶胞含有一个化学式单位。晶格常数a=3.904Å， c=4.150Å，c/a=1.063。居里温度大约为490℃。
纯PbTiO3用通常陶瓷工艺很难得到致密的材料， 主要是当试样冷却通过居里温度点时相变伴随着很 大的应变。因此，可通过以下途径：保证材料具有 微晶结构；降低c/a比，以减少各向异性造成的应力， 可以减轻样品破裂的趋势；通过掺杂，提高晶界的 强度，从而提高压电性能。
薄形长片：长度伸缩模式的耦合系数K31（横 向耦合系数）
圆柱体：轴向伸缩模式的耦合系数K33（纵向 耦合系数）
Kt Kp
K33 K15 K31
第六章 压电陶瓷
3、压电常数
它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能 （或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应 变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系， 直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的 强弱，从而引出了压电方程。常见的压电常数有四 种：dij、gij、 eij、 hij。
五、压电陶瓷材料 不同的应用范围对压电陶瓷材料有不同的性能
要求。 1、钙钛矿型压电陶瓷材料
以化是学+1通、式+是2、A+B3O价3，；AB为为半半径径较较大小的的正正离离子子，，可可 以是+3、+4、+5、+6。
其中A、B、O三种离子的离子半径满足下列关 系时，才能组成ABO3结构：
RA+RO=t√2（RB+RO） t是容忍因子，一般在0.86~1.03之间均可组成 钙钛矿结构。
一元系压电陶瓷
BaTiO3陶瓷 工作温区窄
Tc=120℃ 热稳定性差
易极化
Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏·米/牛)
工艺性好
PbTiO3陶瓷 工作温区宽
Tc=490℃ 热稳定性好
难极化
Kp =0.095 d33=56(10-12库/牛) g33=33(10-3伏·米/牛)
A0
反铁电 正交相
PbZrO3-PbTiO3相图
立方顺电相
四方铁电相 高温三方
铁电相
1、随Zr：Ti 变化，居里点几乎线 形地从235℃变到490℃ ，Tc线以 上为立方顺电相，无压电效应。
2、Zr：Ti=53：47附近有一准同 型相界线，富钛侧为四方铁电相 FT；富锆一侧为高温三方铁电相FR， 温度升高，这一相界线向富锆侧 倾斜，并与Tc线交于360℃（表明 相界附近居里温度Tc高），在相 界附近，晶胞参数发生突变。
第六章 压电陶瓷
一、概述 在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。 在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二
氢钾盐，具有压电性。 电在效1应94。0年是后压，电发材现料了发B展aT的iO一3是个一飞种跃铁。电体，具有强的压
在1950年后，发现了压电PZT体系，具有非常强和稳定 的压电效应，具有重大实际意义的进展。
第六章 压电陶瓷
2、机电耦合系数K 是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电
能之间耦合关系的物理量，是衡量压电陶 瓷材料性能的重要参数。其定义为：
K2=电能转变为机械能/输入电能 或 K2=机械能转变为电能/输入机械能
它是压电材料进行机-电能量转换的能力 反映。它与材料的压电常数、介电常数和 弹性常数等参数有关，是一个比较综合性 的参数。其值总是小于1。
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦
合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。 机电耦合系数的定义是：
K
2
通过逆压电效应转换所 得的机械能 转换时输入的总电能
或
K2
通过正压电效应转换所 得的电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷 体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相 应的机电耦合系数。
第六章 压电陶瓷
四、压电陶瓷材料主要参数的确定
材料参数Kp、Qm、d33、ε33和tgδ的确定 需采用薄圆片的径向振动模式，要求薄圆片的
直径比厚度大得多，其比值大于10。极化方向与 厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直，片子是 均匀的正圆形。
如果薄圆片的Δf值较小时，可用下式直接计算：
当σ=0.27时，Kp2≌2.51Δf/fs 当σ=0.30时，Kp2≌2.53Δf/fs 当σ=0.36时，Kp≌2.55Δf/fs
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。
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，
在电极面上产生电荷，则有以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方
向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方
向；T3为应力；D3为电位移。
第六章 压电陶瓷
三、压电材料的性能参数 除介电常数ε和介电损耗tgδ两个重要参数以外，
作为压电材料还有以下参数： 1、机械品质因数Qm
是描述压电陶瓷在机械振动时，内部能量消耗的 一个参数，这种能量消耗的原因主要在于内耗即 内摩擦。
机械品质因数Qm越高，能量的损耗就越少。 Qm=2ΠW1/W2
不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm有不同的 要求。滤波器和变压器要求高的Qm值，而音响器 件及接收型换能器则要求Qm值要低。
第六章 压电陶瓷
4、弹性系数：
压电材料是一种弹性体，当对它施加应力时，它 就发生形变，在弹性限度范围内，服从虎克定律， “应力与应变成正比”。当数值为T的应力加于压 电陶瓷片上所产生的应变S为：