压电陶瓷ppt课件
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《压电陶瓷》课件
等。
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。
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
利用压电陶瓷的传感特性，可以检测和监测环境中的污染物，为环境保护提供技术支持。
感谢您的观看
THANKS
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。
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THANKS
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。
压电陶瓷及其应用PPT课件
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
常用压电陶瓷发射换能器课件
压电陶瓷发射换能器的优缺点
温度稳定性差
压电陶瓷的性能受温度影响较大，温度变化会影响其工作性 能。
成本较高
由于制造工艺和材料成本较高，导致压电陶瓷发射换能器的 成本较高。
02
压电陶瓷发射换能器的结 构与材料
压电陶瓷材料
压电陶瓷材料是具有压电效应的 陶瓷材料，能够在外部电场的作 用下产生形变，或者在内部应变
能器的频率响应范围。
带宽越宽，换能器的频率响应范 围越广，能够产生不同频率的声
波或振动。
带宽的测量单位是赫兹（Hz）， 不同用途的换能器有不同的带宽
要求。
效率与损耗
01
效率是压电陶瓷发射换 能器的能量转换效率， 它决定了换能器的性能 和效果。
02
效率越高，换能器的能 量转换效率越高，能够 产生更好的声波或振动 效果。
02
在制造过程中，需要控制材料的 成分和工艺参数，以保证换能器 的性能和稳定性。
03
压电陶瓷发射换能器的性 能参数
输出功率
输出功率是压电陶瓷发射换能 器的重要性能参数之一，它决 定了换能器的能量转换效率和 使用效果。
输出功率越高，换能器的能量 转换效率越高，能够产生更大 的声波或振动。
输出功率的测量单位是瓦特（ W），不同用途的换能器有不 同的输出功率要求。
工作原理
当压电陶瓷受到外部电场作用时，会产生形变，这种形变与电场方向相反，大 小成比例。通过施加交变电场，可以产生交变的形变，从而产生声波或超声波 。
压电陶瓷发射换能器的应用领域
医学成像
用于超声成像设备，如 超声诊断仪、超声治疗
仪等。
无损检测
用于检测材料内部结构 、缺陷等的无损检测设
备。
声学研究
压电陶瓷幻灯片课件
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
1.2压电材料
（1）.压电晶体
■ 石英（ SiO2 ，J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的），性能稳定， 但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中；
■ 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。
■ 引燃引爆、高压警棒、小型电源 ■ 压电陶瓷点火的优点： 10年寿命；半永久性；不用
维修。
3.2、压电振荡器和滤波器：高Qm
■ 原理：压电振子的谐振特性。作用在压电陶瓷上的交 变电压会产生一定频率的机械振动。在一般情况下， 这种机械振动的振幅很小。
■ 压电振荡器原理：
❏ 当外加电压的频率与压电陶瓷的固有机械振动频率相同时， 就会引起共振，使振幅大大增加。
点火器
高压产生－电极放电－点燃 气体
压电点火原理
V=gh/FA ； g——压电电压常数; h——圆柱体高度； F ——作用力
A——受力圆柱体截面积；
应用举例：
■ 煤气灶中，两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取 代了普通的火石
■ 打火机中，采用直径为2.5毫米，高度为4毫米的压电 陶瓷，就可得到10～20千伏的高电压
（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。
■ 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。
■ 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。
《电子陶瓷》课件
表面涂层
在陶瓷表面涂覆金属、介质等材 料，以提高其导电、绝缘、耐腐
蚀等性能。
表面加工
对陶瓷表面进行研磨、抛光、刻蚀 等加工，以提高其表面光洁度和满 足特定需求。
连接与封装
将陶瓷与其他材料连接或封装在一 起，以实现其在实际应用中的功能 。
03
电子陶瓷的性能与测试
电学性能
总结词
电子陶瓷的电学性能是其最主要的特性之一，包括介电常数、电阻率、介质损耗等参数。
热膨胀系数是衡量电子陶瓷在温度变化下尺寸稳定性的重要参数，过大的热膨胀系数可能导致陶瓷在 温度变化时产生破裂。热导率则决定了电子陶瓷的散热性能，高导热性能的电子陶瓷能够快速地将内 部产生的热量传导出去，提高电子器件的稳定性和寿命。
机械性能
总结词
机械性能是指电子陶瓷在受力情况下的强度、硬度、耐磨性 等特性。
详细描述
机械强度决定了电子陶瓷在受到外力作用时的抗破裂能力， 是评价其可靠性及使用寿命的重要指标。硬度则影响了电子 陶瓷的耐磨性能，硬度高的电子陶瓷具有更好的耐磨损特性 。
可靠性测试
总结词
可靠性测试是评估电子陶瓷在实际使用中稳定性和可靠性的重要手段。
详细描述
可靠性测试包括寿命测试、环境适应性测试和耐久性测试等。通过这些测试可 以了解电子陶瓷在不同环境条件和工作状态下的性能表现，从而对其在实际应 用中的可靠性做出评估。
应用领域的拓展与交叉学科的发展
应用领域拓展
积极探索电子陶瓷材料在5G通信、新能源 汽车、物联网等领域的应用，推动电子陶瓷 技术的创新发展。
交叉学科发展
加强电子陶瓷材料与物理学、化学、生物学 等学科的交叉融合，开拓新的应用领域和研 究方向，促进电子陶瓷技术的多元化发展。
在陶瓷表面涂覆金属、介质等材 料，以提高其导电、绝缘、耐腐
蚀等性能。
表面加工
对陶瓷表面进行研磨、抛光、刻蚀 等加工，以提高其表面光洁度和满 足特定需求。
连接与封装
将陶瓷与其他材料连接或封装在一 起，以实现其在实际应用中的功能 。
03
电子陶瓷的性能与测试
电学性能
总结词
电子陶瓷的电学性能是其最主要的特性之一，包括介电常数、电阻率、介质损耗等参数。
热膨胀系数是衡量电子陶瓷在温度变化下尺寸稳定性的重要参数，过大的热膨胀系数可能导致陶瓷在 温度变化时产生破裂。热导率则决定了电子陶瓷的散热性能，高导热性能的电子陶瓷能够快速地将内 部产生的热量传导出去，提高电子器件的稳定性和寿命。
机械性能
总结词
机械性能是指电子陶瓷在受力情况下的强度、硬度、耐磨性 等特性。
详细描述
机械强度决定了电子陶瓷在受到外力作用时的抗破裂能力， 是评价其可靠性及使用寿命的重要指标。硬度则影响了电子 陶瓷的耐磨性能，硬度高的电子陶瓷具有更好的耐磨损特性 。
可靠性测试
总结词
可靠性测试是评估电子陶瓷在实际使用中稳定性和可靠性的重要手段。
详细描述
可靠性测试包括寿命测试、环境适应性测试和耐久性测试等。通过这些测试可 以了解电子陶瓷在不同环境条件和工作状态下的性能表现，从而对其在实际应 用中的可靠性做出评估。
应用领域的拓展与交叉学科的发展
应用领域拓展
积极探索电子陶瓷材料在5G通信、新能源 汽车、物联网等领域的应用，推动电子陶瓷 技术的创新发展。
交叉学科发展
加强电子陶瓷材料与物理学、化学、生物学 等学科的交叉融合，开拓新的应用领域和研 究方向，促进电子陶瓷技术的多元化发展。
锆钛酸铅系压电陶瓷课件
配料与混合
按照配方比例将原料混合 均匀，保证原料的分散性 和稳定性。
预处理
对原料进行破碎、球磨、 干燥等预处理，以满足后 续成型工艺的要求。
陶瓷成型与烧成
成型方法
采用干压、等静压、流延、 凝胶注模等成型方法，制 备出所需形状和尺寸的陶 瓷胚体。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包 括烧成温度、烧成时间和 气氛等参数，确保陶瓷的 致密化和相转化。
THANKS
感谢观看
易于加工成型
锆钛酸铅系压电陶瓷可以通过 传统的陶瓷加工技术进行成型 和加工，制成各种形状和尺寸
的元件。
锆钛酸铅系压电陶瓷的应用领域
传感器
换能器
锆钛酸铅系压电陶瓷在传感器领域应用广 泛，可用于压力、加速度、声波等物理量 的测量和检测。
利用锆钛酸铅系压电陶瓷的压电效应，可 以制作超声波换能器，用于超声波清洗、 探测、医学成像等领域。
表面加工与保护
对电极层进行加工和保护，以提高其 导电性能和使用寿命。
锆钛酸铅系压电陶瓷的性能优化
掺杂改性
总结词
通过掺入其他元素对锆钛酸铅进行改性，可以改善其压电性能、温度稳定性、机械强度等。
详细描述
掺杂改性是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过掺入适量的其他元素，如镧、锶、铋等，可以改 变锆钛酸铅的晶体结构、电学性能和机械性能。掺杂元素的作用机制包括取代铅离子、改变氧空位浓度以及调节 晶格常数等。
表面改性与电极优化
总结词
表面改性和电极优化可以提高锆钛酸铅系压电陶瓷的电性能和稳定性，同时降低制造成 本。
详细描述
表面改性和电极优化是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过表面涂覆、 化学处理、离子注入等技术手段，可以改善陶瓷表面的电学性能和机械性能，提高其稳 定性。电极优化包括选择合适的电极材料、调整电极厚度和覆盖范围等，以提高压电陶
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
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。
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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。
压电陶瓷ppt课件
17
§ 7-1 压电陶瓷
3. 铌酸锂型 结构
顺电相
铁电相
• 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
18
§ 7-1 压电陶瓷
4. 铋层状结 构
Bi4Ti3O12
19
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电阻
33
§ 7-1 压电陶瓷
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，图5-1（P115）。因此相比之下， PbTiO3的工作温度区宽，性能更稳定。
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。
常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第 一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械 振动方向）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。
反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系
21
§ 7-1 压电陶瓷
➢ 压电电压系数g：单位应力T所产生的电场强度E；或单位 电荷所产生的形变。
39
§ 7-1 压电陶瓷
(2) Tc线以下，Zr：Ti=53：47附近有一同质异晶相界线 （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（三角）铁电相FR（高温），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（见P119 图5-7）。
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
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
材料物理压电陶瓷PPT课件
2021/5/6
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
2
第2页/共85页
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
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
2021/5/6 感器中应用最广泛的压电材料。
15
第15页/共85页
（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)。
➢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。
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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
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
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，
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↘，Δ T ↘ ，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；
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。
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↘。
5
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；
图9.5.1 BaTiO3陶瓷的
介电温度特性
6
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பைடு நூலகம்器陶瓷材料配方
BaTiO3 CaTiO3 PbTiO3 外加MnO2 居里温度
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;
8
第二阶段：650℃～756℃，发生化学反应：
PbO TiO2 PbTiO3
11
影响极化的因素：
A. 极化电场： E>Ec(矫顽场) 2～3Ec, 太大会引起击穿；
B. 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；
C. 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
10
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）
§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
图9.5.2 PZT合成时的热效应与相变化
为防止Ti4+还原，ε↘，氧化气氛烧结。
9
（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；
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
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
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，
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↘，Δ T ↘ ，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；
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。
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↘。
5
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；
图9.5.1 BaTiO3陶瓷的
介电温度特性
6
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பைடு நூலகம்器陶瓷材料配方
BaTiO3 CaTiO3 PbTiO3 外加MnO2 居里温度
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;
8
第二阶段：650℃～756℃，发生化学反应：
PbO TiO2 PbTiO3
11
影响极化的因素：
A. 极化电场： E>Ec(矫顽场) 2～3Ec, 太大会引起击穿；
B. 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；
C. 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
10
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）
§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
图9.5.2 PZT合成时的热效应与相变化
为防止Ti4+还原，ε↘，氧化气氛烧结。
9
（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；