压电陶瓷ppt课件

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，
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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
§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。
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一、压电效应及陶瓷压电机制
图9.5.1 BaTiO3陶瓷的
介电温度特性
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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。
超声换能器陶瓷材料配方
BaTiO3 CБайду номын сангаасTiO3 PbTiO3 外加MnO2 居里温度
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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）
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
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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。
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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
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；
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。
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（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；
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。
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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。
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;
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第二阶段：650℃～756℃，发生化学反应：
PbO TiO2 PbTiO3
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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；
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↘。
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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。
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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。