压电陶瓷及其应用PPT课件
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压电陶瓷的压电原理及制作工艺ppt
其他类型
包括铁电陶瓷、铁磁陶瓷、多晶压 电陶瓷等。
压电性能表征方法
电滞回线
用于描述压电陶瓷在正弦波电场作用下的响应特性，可反映其压电系数、介电常数、电阻 率等参数。
频率特性
描述压电陶瓷在不同频率下的响应特性，包括介电常数和压电常数随频率的变化情况。
温度特性
研究压电陶瓷在不同温度下的性能表现，包括介电常数、压电常数、机械品质因数和电阻 率等参数随温度的变化情况。
微观结构与性能的关系
晶体结构
压电陶瓷的晶体结构对其压电性能有很大影响。例如，钙钛 矿型压电陶瓷的晶体结构由钙钛矿结构决定，其晶体结构中 的阳离子和氧离子的排列方式会影响其压电性能。
晶格振动
压电陶瓷的晶格振动对其压电性能也有重要影响。在一定温 度范围内，晶格振动会受到热运动的影响而变得无序，导致 压电性能下降。
01
制备工艺流程长
压电陶瓷的制备工艺流程较长，需要经过多个环节和步骤，而且每个
环节都有一定的技术要求和操作难点。
02
制备工艺条件要求高
压电陶瓷的制备工艺条件要求较高，需要严格控制制备过程中的温度
、气氛、时间等因素，否则容易出现产品质量不稳定的问题。
03
成本高
由于压电陶瓷的制备工艺较为复杂，且需要使用一些昂贵的原材料，
相关论文
相关论文1
张三，李四，王五. 不同制备工艺对压电 陶瓷性能的影响[J]. 硅酸盐通报，2021, 40(1): 1-5.
VS
相关论文2
赵雷，孙七，刘八. 高温压电陶瓷的制备 与性能研究[J]. 陶瓷学报，2018, 39(12): 56-61.
相关专利
相关专利1
发明名称：一种高性能压电陶瓷制备方法
包括铁电陶瓷、铁磁陶瓷、多晶压 电陶瓷等。
压电性能表征方法
电滞回线
用于描述压电陶瓷在正弦波电场作用下的响应特性，可反映其压电系数、介电常数、电阻 率等参数。
频率特性
描述压电陶瓷在不同频率下的响应特性，包括介电常数和压电常数随频率的变化情况。
温度特性
研究压电陶瓷在不同温度下的性能表现，包括介电常数、压电常数、机械品质因数和电阻 率等参数随温度的变化情况。
微观结构与性能的关系
晶体结构
压电陶瓷的晶体结构对其压电性能有很大影响。例如，钙钛 矿型压电陶瓷的晶体结构由钙钛矿结构决定，其晶体结构中 的阳离子和氧离子的排列方式会影响其压电性能。
晶格振动
压电陶瓷的晶格振动对其压电性能也有重要影响。在一定温 度范围内，晶格振动会受到热运动的影响而变得无序，导致 压电性能下降。
01
制备工艺流程长
压电陶瓷的制备工艺流程较长，需要经过多个环节和步骤，而且每个
环节都有一定的技术要求和操作难点。
02
制备工艺条件要求高
压电陶瓷的制备工艺条件要求较高，需要严格控制制备过程中的温度
、气氛、时间等因素，否则容易出现产品质量不稳定的问题。
03
成本高
由于压电陶瓷的制备工艺较为复杂，且需要使用一些昂贵的原材料，
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张三，李四，王五. 不同制备工艺对压电 陶瓷性能的影响[J]. 硅酸盐通报，2021, 40(1): 1-5.
VS
相关论文2
赵雷，孙七，刘八. 高温压电陶瓷的制备 与性能研究[J]. 陶瓷学报，2018, 39(12): 56-61.
相关专利
相关专利1
发明名称：一种高性能压电陶瓷制备方法
压电陶瓷ppt课件
12
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
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。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K2
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。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
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。
1. 压电效应
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
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。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K2
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。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
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。
1. 压电效应
_new_06第六讲 压电陶瓷的应用
x
P1
P2
y
x
Fx
Fy Fy
x
y
P1
P2
y
P2
P1P3P3 NhomakorabeaP3
不受力
Fx
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。
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P2
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P2
P1P3P3 NhomakorabeaP3
不受力
Fx
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。
材料物理 压电陶瓷.ppt
N31 fsl1
l1越小，fs越大
2019/10/25
27
逆压电效应使压电材料产生形变，形变又会产生
电信号，如果压电元件上加上交流信号，当交流电信
号的频率与元件（振子）的固有振动频率fT相等时， 便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦，而损耗一
11
z
o
x
y
x
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(a)
(b)
(c)
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
2019/10/25
12
石英晶体
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。
由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃， 压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失 去了压电特性，这就是它的居里点。
2019/10/25
25
机械品质因素Qm
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
表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； Qm全面越高，能量损耗就越小； 产生的原因是存在内摩擦。
2019/10/25
26
频率常数N
对特定的陶瓷材料，其压电振子的谐振频率 和振子方向长度的乘积是一常数，称为频率常 数。由材料的性质决定,而与尺寸因素无关。
• 陶瓷压电材料 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
• 高分子压电材料 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
l1越小，fs越大
2019/10/25
27
逆压电效应使压电材料产生形变，形变又会产生
电信号，如果压电元件上加上交流信号，当交流电信
号的频率与元件（振子）的固有振动频率fT相等时， 便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦，而损耗一
11
z
o
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a
(a)
(b)
(c)
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
2019/10/25
12
石英晶体
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。
由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃， 压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失 去了压电特性，这就是它的居里点。
2019/10/25
25
机械品质因素Qm
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
表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； Qm全面越高，能量损耗就越小； 产生的原因是存在内摩擦。
2019/10/25
26
频率常数N
对特定的陶瓷材料，其压电振子的谐振频率 和振子方向长度的乘积是一常数，称为频率常 数。由材料的性质决定,而与尺寸因素无关。
• 陶瓷压电材料 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
• 高分子压电材料 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
压电陶瓷幻灯片课件
在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈线性可逆关系，这种
效应称为逆压电效应。
-
+
+
+
-
+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
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（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
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。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
效应称为逆压电效应。
-
+
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+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
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（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
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。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
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。
压电陶瓷分析PPT课件
➢ 以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行 煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。
2021
8
（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。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
14
❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
22
（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
2021
8
（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。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
14
❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
22
（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
第6章压电陶瓷材料及其应用1
磷酸二氢钾型水溶性有机铁电体与晶体相比压电陶瓷具有制造容易可做成各种形状可任意选择极化轴方向易于改变瓷料组分而得到不同性能的陶瓷材料成本低适用于大批量生产但稳定性一致性和精度方面没有单晶好
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。
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。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺PPT课件
2.超声发生器；
3.换能器声学系统；
1
4.焊件；
5.工作台
4
5
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷超声波焊接
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷加湿器
雾气出口 水箱
雾 水 压电振子
风机
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷加湿器
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷变压器（升压型）
w 输入端 t
极化方向
驱动部分
极化方向
l/2
发电部分
振动方向
t
存 贮
存贮
光信息存贮器，光记忆器
显示
铁电显示器，声光显示器等
其它 非线性元件 压电继电器等
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷泵
进口
压电陶瓷 换能器
阀 出口
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷喷墨打印
金属片
压电陶瓷 换能器
圆锥形容器 内液层
外墨水池
输入信号
喷嘴 金属膜
墨水
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷超声波焊接
2
3
1.焊接程序控制器；
压电陶瓷压电原理、 应用与制作工艺
湖北大学材料科学与工程学院 压电陶瓷技术研究所 周桃生
内容
➢压电陶瓷的压电原理
➢压电陶瓷的用途
➢压电陶瓷的制作工艺
• 配料 • 预烧 • 混合和粉碎 • 成型与排塑 • 烧结 • 极化
压电陶瓷的压电原理
•压电现象与压电效应
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
X-Y运动台（直线USM） X-Y运动台（旋转USM） 行波型杆式USM 模态转换型USM 方板型直线USM 用于二元机翼模型试验
演示文稿压电陶瓷介绍和测试方法课件
电极
电极
第五页，共10页。
基本知识介绍
压电效应
正压电效应：外界应力作用下（机械能），表面产生电荷（电能） 逆压电效应：外加电场作用下（电能），一定方向产生机械形变或机械压力
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
电能
F－ － － － － －
电能
＋＋＋＋＋
机械能
Ｅ
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
第六页，共10页。
正压电效应
形变前的状况
形变后的状况
－ － － － － － 机械能
＋＋＋＋＋＋ 电
极化方向
场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应
基本知识介绍
压电传感器工作原理
是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量
受力、表面形变 压电器件 电荷
表现形式
第七页，共10页。
演示文稿压电陶瓷介绍和测试方法课 件
第一页，共10页。
（优选）压电陶瓷介绍和测试方法 课件
第二页，共10页。
主要内容
基本知识介绍
压电材料 压电效应 压电式传感器工作原理、技术参数及等效模型
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
组成架构及工作原理 PZT 不良背景介绍
测试方法推荐
第三页，共10页。
U 型刚体
交变电压 电荷变化
精确寻轨
PZT 元件
位移变化
HSA
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区
压电微制动器
滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
第十页，共10页。
HSA PZT 结构切片示意图
电极
第五页，共10页。
基本知识介绍
压电效应
正压电效应：外界应力作用下（机械能），表面产生电荷（电能） 逆压电效应：外加电场作用下（电能），一定方向产生机械形变或机械压力
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
电能
F－ － － － － －
电能
＋＋＋＋＋
机械能
Ｅ
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
第六页，共10页。
正压电效应
形变前的状况
形变后的状况
－ － － － － － 机械能
＋＋＋＋＋＋ 电
极化方向
场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应
基本知识介绍
压电传感器工作原理
是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量
受力、表面形变 压电器件 电荷
表现形式
第七页，共10页。
演示文稿压电陶瓷介绍和测试方法课 件
第一页，共10页。
（优选）压电陶瓷介绍和测试方法 课件
第二页，共10页。
主要内容
基本知识介绍
压电材料 压电效应 压电式传感器工作原理、技术参数及等效模型
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
组成架构及工作原理 PZT 不良背景介绍
测试方法推荐
第三页，共10页。
U 型刚体
交变电压 电荷变化
精确寻轨
PZT 元件
位移变化
HSA
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区
压电微制动器
滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
第十页，共10页。
HSA PZT 结构切片示意图
压电陶瓷ppt
壓電式平面喇叭與傳統線圈式喇叭特性比較表
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
DMA應用實例
N506i V501T
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
致動器型態
Transverse Wafer Longitudinal Wafer
Stack Actuator Bimorph (extension) Bimorph (bending)
Converse piezo effect
Direct piezo effect
resonant frequency
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
壓電變壓器昇壓比
Avo ＝V2 /V1=(4/π2)× m × 31 × 33 × /t (無負載) Q k k L Av ＝ (1/2) Avo Av ＝ Avo / (
Frequency Response – DMA vs MICROSPEAKER
dB Level S patalaver , i age S P L 0. 5m 110 Level S P L dB , 130
100
DMA Speaker
120
90
110
80
70
Cone Microspeaker
100
90
60 20 50 100 500 1k 5k
80 10k 20k Fr equency H z
Actual measured results mainstream notebook PC. Two DMAs attached to rear lid.
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
压电陶瓷的压电原理及制作工艺152页PPT
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
压电陶瓷的压电原理及其制作工艺PPT文档165页
压电陶瓷的压电原理及其制作工艺
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
Hale Waihona Puke
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
Hale Waihona Puke
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顺电相
铁电相
4. 铋层状结构
Bi4Ti3O12
（1） 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧
化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷 。
它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石 英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃）， 温（度2）稳定锆性钛和酸机铅械系强压度电不陶如瓷石（英PZ晶T）体。
2019/12/23
22
铁路钢轨探头
铁路钢轨对接焊 缝探测用探头
缺陷 焊缝
2019/12/23
铁路钢轨探伤 用滑板式探头
23
管道环焊缝 超声波检测装置
2019/12/23
管道环焊缝超声 波检测装置原理
24
超声探伤仪
2019/12/23
25
构件的超声探伤
2019/12/23
26
构件的超声探伤
另外，PbTiO3陶瓷的介电系数小，热释电系 数大，接近于60μC/cm2·K，居里点高，抗辐射性 能好，还是一种相当理想的热释电探测器材料。
2. PbNb2O6 钨青铜结构 Tc高（570℃） 压电系数的各向异性大，d33/d31≈10 机械品质因素特别低（Q≈11）
主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等
4、压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。
BaTiO3和PbTiO3压电陶瓷比较
BaTiO3陶瓷 工作温区窄（Tc=120℃
） 易极化 热稳定性差 ε=1900 Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏·米/牛) 工艺性好
压电材料的应用
5.2 压电陶瓷材料
压电陶瓷的晶体结构： 1. 钙钛矿结构 2. 钨青铜型结构 3. 铌酸锂型结构 4. 铋层状结构
5.2 压电陶瓷材料
1. 钙钛矿结构
ABO3： A：＋1,＋2,＋3
Na＋，K＋，Ba2+，La3+ B：＋5,＋4,＋3
Nb5+,Ti4+，Fe3+
2. 钨青铜型结构
测材料表面的缺
陷，又可检测内
部几米深的缺陷， 这是x光探伤所达
不到的深度。
裂纹
A型超声探伤 反射波形
2019/12/23
19
A型超声波探伤
工件 缺陷 起始波 缺陷反射波 底波
2019/12/23
20
钢轨探伤车
滑板式探头
2019/12/23
21
高速钢轨探伤车
铁路钢轨探测用的滚轴式探 头（也称做轮式探头）
超声设备
2019/12/23
12
超声波加工装置及原理录象
2019/12/23
13
2019/12/23
14
录象 单相驱动超声旋转马达
2019/12/23
15
2019/12/23
16
2019/12/23
17
2019/12/23
18
超声波探伤
超声波探伤
是目前应用十分
广泛的无损探伤
手段。它既可检
PbTiO3陶瓷 工作温区宽（Tc=490℃
） 难极化 热稳定性好 ε=190 Kp =0.095 d33=56(10-12库/牛) g33=33(10-3伏·米/牛) 工艺性差（粉化，PbO易
比较可知，BaTiO3压电性好，工艺性好，但 致命弱点是工作温区窄（0~120℃），且在工作 温区内各压电性能随温度变化很大。因此相比之 下，PbTiO3的工作温度区宽，性能更稳定。
2019/12/23
27
2019/12/23
28
构件的超声探伤
2019/12/23
29
现代其他应用
• 地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判 断地层的地质状况，查明地下矿藏；
2019/12/23
30
EPSON微压电打印技术喷墨示意
2019/12/23
微压电打印技术 墨滴 特点：圆、小、同样 尺寸、排列整齐、没 有卫星墨滴、打印头 寿命长、喷射频率快
锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（ Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温 度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳 定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元 素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感 器中应用最广泛的压电材料。
2019/12/23
33
美国麻省理工学院建筑和规划系的学生 Thaddeus Jusczyk（中）和James Graham （右）正在尝试利用人们走动时地板的滑动来 产生电。
• [BO6]氧八面体以顶角相连构成
骨架。 • B离子为Nb、Ta、W等。 • [BO6]骨架间存在三种空隙：A1 （较大）、A2（最大）、C（最 小） • 氧八面体中心因所处位置的对称 性不同可能为B1和B2 • 填满型与非填满型。
钨青铜结构在（001)面上的投影
3. 铌酸锂型结构
• 氧八面体以共面形式重叠 • Li位于氧八面体的公共面 • Nb位于氧八面体中心 • 极化时，Li,Nb偏离中心位置，沿 c轴出现电偶极矩
31
传统加热式打印技术喷墨示意
传统打印技术 墨滴特点：不圆、大、有大有小、排列不 整齐、有卫星墨滴、打印头寿命短、喷射频率慢
2019/12/23
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衣服都能发电! 新奇科技让我无所不能...
密歇根理工大学机械工程师Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亚利桑那州立 大学的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在最近一期的《巧妙材 料和结构》杂志上发表了文章，介绍了他们在能量获得方面的最新创新成果—— 一款利用压电材料制成的通过背带产生能量，为便携式的电子设备充电的背包。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强 的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看， 不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存 在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴 成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶 极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成 为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎 、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压 电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。