压电陶瓷电疲劳研究进展
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、概述压电材料是一类具有压电效应的特殊功能材料，它们能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电材料在科学研究和工业应用中就占据了重要地位。
随着科技的飞速发展，压电材料的研究和应用已经深入到众多领域，如传感器、换能器、振动控制、声波探测、生物医学等。
在压电材料的研究方面，科研人员一直致力于探索新型压电材料，优化其性能，拓宽其应用范围。
目前，压电材料的研究重点主要集中在压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等领域。
这些新型压电材料在压电常数、介电常数、机械品质因数等关键指标上不断取得突破，为压电材料的应用提供了更多可能性。
在应用方面，压电材料在传感器和换能器领域的应用尤为广泛。
例如，压电传感器可用于检测压力、加速度、振动等物理量，广泛应用于工业自动化、航空航天、环境监测等领域。
压电换能器则可用于声波的发射和接收，广泛应用于声呐、超声检测、通信等领域。
压电材料在振动控制、声波探测、生物医学等领域也展现出广阔的应用前景。
压电材料作为一种重要的功能材料，在科学研究和工业应用中发挥着不可替代的作用。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用必将迎来更加广阔的天地。
1. 压电材料的定义与特性压电材料是一种特殊的功能材料，具有将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
这类材料在受到外力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，这种现象称为“压电效应”。
反之，当压电材料置于电场中时，材料会发生形变，这种现象称为“逆压电效应”。
压电材料的这种特性使得它们在许多领域都有广泛的应用，如传感器、换能器、振动控制等。
压电材料的特性主要包括压电常数、介电常数、机械品质因数等。
压电常数反映了材料的压电效应强弱，是衡量压电材料性能的重要指标。
介电常数则描述了材料在电场作用下的电荷存储能力。
机械品质因数则反映了材料在振动过程中的能量损耗情况。
BNT基无铅压电陶瓷研究进展
度 和简 单 的制造工 艺． 因此 ， ＮＴ基无 铅压 电陶 瓷被认 为是 取 代铅 基压 电陶 瓷最 优 体系 之 一． 是 ， ＮＴ Ｂ 但 Ｂ
压 电 陶瓷在 室温 下矫顽 场较 大 （ ３ １ｋ ｃ ， 电流高 ， 以充 分极 化 ， 且 Ｂ Ｅ 一７ ． Ｖ／ ｍ） 漏 难 而 ＮＴ 陶瓷 中的 Ｎａ０ 。 易 吸水 ， 烧结 温 区狭窄 ， 导致 了 陶瓷的致 密性 和化 学物 理性 能稳 定性 欠佳 ， 因此 ， 纯的钛酸 铋钠 陶瓷难 以 单 实用 化［ ］如何 降低 Ｂ Ｔ的矫顽场 、 ４． Ｎ 提高 Ｂ Ｔ的压电活性 、 Ｎ 改善烧结性能 等是 Ｂ ＮＴ陶瓷实用 化 的关键． ２ Ｏ世 纪 ６ Ｏ年代 起 ， 内外 大量学 者开始 对 Ｂ 国 ＮＴ 基压 电陶瓷 进 行广 泛 研究 ， 成 功制 备 了许 多 具 有 并 实 用化 前景 的陶 瓷体 系． 文归纳 了 Ｂ 本 ＮＴ基无 铅压 电陶瓷体 系 的各 种改性 研究 及发展 趋 势．
１ 添 加 多组 元 改 性 Ｂ ＮＴ基 压 电陶 瓷
从对 Ｐ Ｔ压 电 陶瓷研究 经验看 ， 同型相界 （ Ｂ 对 压 电 陶瓷 的 电学性 能有 较 大影 响［ ］ 同样 ， Ｚ 准 ＭＰ ） ６． 通
过对 Ｂ ＮＴ基 无铅 压 电 陶瓷添 加另外 一种 或 多种体 系 ， 加体 系 的多元化 ， 求二 元或 多元 体 系的准 同 型 增 寻
相界 （ Ｂ 以获 得较好 的压 电性 能 ， ＭＰ ） 被认 为是 目前对 Ｂ ＮＴ改性最 重要 而且是最 有效 的方 法之一 ［ ． ８ ］ １ １ 二元改性 Ｂ ． ＮＴ基 无铅 压 电陶瓷体 系
现在 ， 已经成 功合成 了许 多具有 实用化 前景 的 Ｂ ＮＴ基压 电陶瓷 ， 而其 中有 些 体 系的研 究 已经 相 当成 熟 ， ： ＮＴ Ｂ Ｔｉ ３ Ｂ ， Ｎ — ｉ５ ｏ Ｔ Ｏ （ ＫＴ） 如 Ｂ ＿ ａ Ｏ （ Ｔ） Ｂ Ｔ Ｂｏ Ｋ ． ｉ ３ Ｂ ． ５ 体系 等．
功能陶瓷材料研究进展概述
功能陶瓷材料研究进展概述功能陶瓷材料指的是具有特殊功能的陶瓷材料，比如高温耐磨陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、热敏陶瓷等。
这些功能陶瓷材料广泛应用于电子、信息、通信、环保、医疗、军工等领域，其研究与应用已经成为一个重要的研究领域。
本文将从四个方面对功能陶瓷材料的研究进展进行概述。
一、高温耐磨陶瓷的研究进展高温耐磨陶瓷主要应用于高温、高压、高速等极端环境下的工作条件。
近年来，高温耐磨陶瓷的研究进展主要体现在以下三个方面：1、高温耐磨陶瓷的材料研究：传统的高温耐磨陶瓷材料一般为氧化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆等。
目前，研究人员在这些材料的制备、结构设计、织构控制等方面进行了深入研究，并开发出了一系列的新型高温耐磨陶瓷材料，比如碳化硼、碳化钨、氧化铈等，这些材料具有更好的高温、高热、高压性能。
2、高温耐磨陶瓷组件的设计与制备：高温耐磨陶瓷常用于制备涡轮叶片、燃烧室衬板、轴承等零部件。
对于这些零部件，研究人员需要进行适应性设计，以对抗不同的极端环境。
同时，在制备过程中，要求材料的制备工艺、成型方式、加工工艺等都达到高度精密化。
3、高温耐磨陶瓷的表面处理：高温耐磨陶瓷的表面处理一般包括化学处理、物理处理和机械处理。
通过这些表面处理手段，可以提高高温耐磨陶瓷的力学性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能和防摩擦性能。
压电陶瓷是一种能将机械能转化为电能或电能转化为机械能的材料。
近年来，压电陶瓷的研究进展主要体现在以下两个方面：1、压电陶瓷材料的研究：常见的压电陶瓷材料有PZT陶瓷、BT陶瓷、PMN-PT陶瓷等。
经过不断研究，研究人员已经获得了一系列新型压电陶瓷材料，比如高温压电陶瓷、柔性陶瓷、波导陶瓷等。
这些材料具有更好的压电性能、机械性能以及抗疲劳性能。
2、压电陶瓷器件的研究：压电陶瓷器件一般包括声波器件、电场滤波器、电压传感器等。
针对不同的应用场景，研究人员需要对器件进行不同的设计，同时进行制备和测试。
磁性陶瓷是一类具有磁性的陶瓷材料，其广泛应用于电子、信息、通信、医疗等领域。
铋层状结构无铅压电陶瓷的研究进展
第２ ９卷 第 ４期 ２０ ０ ７年 ８月
宜 春 学 院学 报 （ 自然 科 学 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｉ ｕ ｎｖｒ ｔ （ ａ ｒｌ ｃ ｎｅ ｏｒａ ｏ ｃ ｎＵ ｉ ｓｙ ｎｔ ａ ｓｉ ｃ ） Ｙ ｈ ｅｉ ｕ ｅ
Ｖｏ． １２９． Ｎｏ ４ ． Ａｕｇ ２０ ７ ． ０
压电陶瓷材料 的掺 杂改性研 究进展 ，并对存在的 问题和解决方法进行 了分析 ，为制备 出高性 能的铋层状结构无铅 压 电陶瓷材料提供 一定的参考价值 ，经过 改性 的材料 可能应用在铁 电显示器中 ．
关 键 词 ：陶 瓷 ；显 示器 ；无 铅 压 电 陶瓷 ，铋 层 状 结 构 ；掺 杂 改， 巨
（ ｉ ｕ ｏｅ ｅ ｉ ｕ ３０ ０Ｃ ｉ ） Ｙｃ ｎｃｌｇ ，Ｙ ｈ ｎ３６ ０ ｈｎ ｈ ｌ ｃ ａ
Ａｂ ｔ ｃ ：Ｄｕ ｏ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓｏ ｉｍｕ ｈ ｌ ｙ ｒｓｒ ｃ ｕ ｅ ｆ ｒｏ ｌ ｃｒ ｔｒ ｌ ｓａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔ ｆｂｓ ｔ ａ ｅ ｔ ｔ ｒ ｅ ｒ ｅ ｔ ｃ ｍａｅ ａｓ，ｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｅ ｔｎ ｉｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｎ ｈ ｇ ｃ ｕ ｅ ｉ ｉ ｈ ｒ ｘｅ ｓ ｐ ｌ ｔ ｓ ｏ ｉｈ—ｔｍｐ ｒ － ｒ ｖ ｃ ｏ ｅ ｅ ａ ｔｒ ， ｈ ｇ ｕｅ ｉｈ—ｆ ｑ ｅ ｃ ｅｄ ． ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｃ ａ ａｅ ｓｉ ｓ ｏ ｉｍｕ ｈ ｌ ｙ ｒ ｓ ｃｕ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌｃｒｃ ｃ ｒ ｍ・ ｒ ｕ ｎ ｙ ｆ ｌ ｓ Ｔ ａ ｎ ｒ ｕ ｅ ｈ ｔ ｔ ｒ ｎ ｈ ｔｒ ｔ ｆ ｂ ｓ ｔ ａ ｅ ｔ ｔ ｒ ｉ ｚｅ ｅ ｔｉ ｅａ ｅ ｉ ｉ ｅ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｕ ｒ
KNN基无铅压电陶瓷的最新研究进展
《 陶瓷学报》
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲ Ｉ ＡＭ ＣＳ
Ｖｏ１３０ Ｎｏ． ． ． ４ Ｄｅ３ ２Ｏ ９ ｌ ． Ｏ
文章编号 ：０ ０ ２ ７ （ ０９ ０ － ５８ ０ １０ － ２８ ２ ０ ）４ ０ ５ － ６
Ｋ Ｎ基无 铅压 电陶瓷 的最 新研 究进 展 Ｎ
为 ００ ５ｄ ． ，船为 ２０ ｋ和 ｋ 分 别为 ０４ ２ ３ ，Ｄ ｔ ． ５和 ０４１ ． ６ １１ 。此 外 ，吴 浪采 用传 统 工 艺制 备 ＬＴ Ｏ 掺 杂 Ｋ Ｎ 陶 瓷 ｉａ 。 Ｎ
采 用 Ｌ ， ｇ两 元 素 调 节 Ｎｏ ｉＡ ａ 。．ｂ ａ 瓷 ．ｑＯ 陶 ￣
（ － ）（ ａ４５ｎ Ｌｎ Ｎ Ｏ ． （ ｎ ｎ Ｎ Ｏ￣ １ ｘ ［ ｏ２ ４ ｉ Ｎ ．Ｋ ７ ｂ ３ ｘ Ａｇ山ｉ） ｂ ． ｓ 的
受到限制 ；常规烧结方法得到性能为 ｄ＝ Ｏ ＣＮ， 稿 ７ ／ ｐ ｋ ０ ５０ ６ 而 与 Ｐ Ｔ陶瓷的性 能相差较 多 ， ｏ ． ．． ， ＝２ ３ Ｚ 故对 Ｋ Ｎ进行改性和制备工艺的研究成为必须。 Ｎ
节 的 电性 能 如 下 ：． ２２－０ ＣＮ， ｐ ３ ％￣４ ｄ＝ ４ ＂ ０ｐ ／ ｋ ＝ ６ ５ ％， ￣ ｓ ４ ８ ＝ ５－ ５０和 Ｔ＝ ３ － ３ ￣ １。Ｙ ｎｅ Ｃ ａｇ等 ￣ ７０ ２０ ￣２０ ４ ０Ｃ［ ｏ ｕ ｆｉ ｈｎ ｌ
性能优 良的陶瓷 ， 其相对介 电常 数为 ９ ５介 电损耗 ２，
研究表明 ，当 ｘ ０ １ ＝ ． 时得到陶瓷较好的压电介 电性 ０
能 ：３Ｔ，ｐＰ ｄ３ 。ｋ ｒ分 另 ， Ｕ为 ２ ０ ｐ ／ ４６Ｃ ，７ ， ２ ＣＮ，７ ￣ ３ ％
压电陶瓷的原理及特性研究
压电陶瓷的原理及特性研究
压电陶瓷是一种能够产生压电效应的材料。
压电效应是指当该材料受到外力作用时，会产生电荷分离或极化现象，从而在材料上产生电压。
压电陶瓷的原理是基于固体晶格的对称性变化。
当外力作用于压电陶瓷时，晶格中的离子会发生位移，从而引起正负电荷的分离。
这种电荷分离产生的电势差可以用来发电或驱动其他电子设备。
压电陶瓷的主要特性包括以下几个方面：
1. 压电效应：压电陶瓷可以在被压缩或拉伸时产生电压，这个特性使得它可以应用于传感器、振动器等领域。
2. 可逆性：压电陶瓷的压电效应是可逆的，即当外力停止作用时，电荷分离消失，电势差恢复为零。
这使得压电陶瓷可以在需要时对外力作出反应，而不需要额外的能源输入。
3. 高稳定性：压电陶瓷具有高稳定性和抗疲劳性能，可以在较长时间内保持稳定的压电效应。
这使得它能够在恶劣环境下工作，如高温、高湿度等条件。
4. 宽频响特性：压电陶瓷具有宽频响特性，可以在很宽的频率范围内产生响应。
这使得它在振动传感器、声波发射器等领域有广泛的应用。
通过研究压电陶瓷的原理及特性，可以进一步优化它的性能，拓展其在各个领域的应用。
无铅压电陶瓷的研究进展
无铅压电陶瓷的研究进展罗帆材料学院材控0811班U2008xxxxx摘要：本文概述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料的研究现状, 介绍了钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系以及钨青铜结构无铅压电陶瓷体系的研究进展, 并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。
关键词：无铅压电陶瓷，钛酸钡基，钛酸铋钠基，铋层状结构，碱金属铋酸盐，钨青铜结构正文：压电陶瓷是重要的高科技功能材料，它被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等领域。
但是，由于目前使用的压电陶瓷大多都是含铅的，如最常用的以Pb（Ti，Zr)O(PTZ)为基的多元系陶瓷，3其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%左右。
PbO有毒，在烧结温度下易挥发，不仅危害人体，而且会使其化学计量式偏离其计算配方，进而使产品一致性和重复性降低, 导致陶瓷性能下降。
因此，无铅基压电陶瓷将显示其良好的环境友好性而被越来越多的研究和应用。
到目前为止，无铅压电陶瓷体系主要有五大类：①钛酸钡(BaTiO) 基无铅压电陶瓷; ②钛酸铋钠基无铅压电陶瓷; ③铋层状结3构无铅压电陶瓷; ④碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷; ⑤钨青铜结构无铅压电陶瓷。
由于各类材料的结构和功能各不相同，下面将分别予以介绍。
钛酸钡基无铅压电陶瓷Ba TiO（BT）是最早发现的无铅压电材料，对它的研究已相当3成熟，最初用于压电振子材料。
其居里温度较低, 工作温度范围较窄, 压电性能属于中等水平, 难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能,且在室温附近存在相变, 所以其在压电方面的应用受到限制。
近年来，通过对钛酸钡的位置取代和掺杂改性，钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究体系主要包括：(1) (1-x) BaTiO-xAB3O(A=Ba、Ca 等; B=Zr、Sn、Hf、Ce等);3(2) (1-x) BaTiO-xA′B′3O(A′=K、Na 等; B′=Nb、Ta 等) ;3(3) (1-x) BaTiO-xA0.5〞Nb3O(A〞= Ba、Ca、Sr 等)。
压电陶瓷电疲劳研究进展
电疲劳机理 、影响因素等三个方面综述了近年来国 内外在压电陶瓷电疲劳研究方面取得的进展 。 2 压电陶瓷电疲劳
压电陶瓷的电疲劳是指在交变电场循环作用 下 ,压电陶瓷电性能下降 ,表现在电滞回线上则是剩 余极化强度 Pr 和饱和极化强度 Ps 下降 ,通常伴随 矫顽电场 Ec 的增大[4 ,5 ] 。McQuarries[6 ] 报道了 Ba2 TiO3 陶瓷在 60 Hz 交变电场作用下 ,经几周后 ,其电 滞回线从矩形变成螺旋桨叶形 , Pr 和 Ps 都有明显 降低 。Merz 和 Anderson[7]在单晶 BaTiO3 中也观察到 类似的现象 。
Merz 和 Anderson[7]报道正弦波和脉冲波电源对 于 BaTiO3 单晶的疲劳特性有影响 。而 Taylor[12]则发 现当交变电场波形从正弦波变成脉冲波时 , Pb ( Zr ,
宇航材料工艺 2000 年 第 6 期
Sn ,Ti) O3 陶瓷的疲劳特性基本没有变化 ,Stewart 和 看出 ,不同成分的陶瓷 ,其晶体结构不同 ,电疲劳特
以上三种电疲劳机理都能很好地解释各自的实 验结果 ,但是综合以往的研究 ,在实际中 ,压电陶瓷 电疲劳往往不是单一机理起作用的结果 ,而是多种 机理共同存在和共同作用引起 ,在不同的条件下 ,起 主导作用的机理亦有所不同[11 ,16 ] 。 4 压电陶瓷电疲劳影响因素
压电材料实验技术的研究进展与关键问题解决
压电材料实验技术的研究进展与关键问题解决引言：压电材料是一类能够在电场或力场作用下产生电荷极化现象的材料。
由于其独特的电-机-热转换性能，压电材料在传感器、执行器、能量收集等领域具有广泛的应用前景。
然而，在压电材料实验技术研究中，仍存在一些关键问题需要解决，本文将对压电材料实验技术的研究进展与关键问题解决进行探讨。
一、压电材料实验技术研究进展1. 压电材料性能测试技术的发展：为了准确评估压电材料的性能，研究者们通过建立一系列实验测试方法，如压电系数测试、震动传感测试、电-机-热转换测试等。
其中，压电系数测试是评估压电材料电荷极化能力的重要手段，而震动传感测试则用于测定材料的机械敏感性能。
此外，电-机-热转换测试是刻画压电材料在电-机-热转换过程中的能量转化效率的关键手段。
2. 压电材料微观结构表征技术的发展：为了深入了解压电材料的微观结构与性能之间的关系，研究者们开展了一系列的表征实验研究。
如扫描电镜（SEM）技术能够观察压电材料的表面形貌，透射电镜（TEM）技术能够研究材料的晶体结构。
此外，X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）等先进技术也被广泛应用于压电材料微观结构的研究中。
3. 压电材料应用技术的发展：压电材料由于其独特的性能，已广泛应用于传感器、执行器、能量收集等领域。
例如，在生物医学领域，压电材料可以被用于制造超声波图像探测器、激光共聚焦显微镜等设备。
同时，在自动化领域，压电材料可以用于制造细微定位系统和精密纳米操作平台。
二、压电材料实验技术研究中存在的关键问题1. 实验样品的制备技术问题：压电材料实验研究的首要问题之一是如何制备高质量的样品。
目前，对于高性能压电材料，如单晶压电材料，其制备过程相对复杂，对技术要求较高。
此外，一些新型复合压电材料的制备方法和参数优化也亟待解决。
2. 实验测试技术的改进问题：尽管现有的测试技术已经较为成熟，但仍存在一些改进空间。
例如，在压电系数测试中，怎样提高测试精度和可重复性仍然是一个具有挑战性的问题。
无铅压电陶瓷的研究与应用进展_赵亚
第29卷第3期 硅 酸 盐 通 报 V o l .29 N o .3 2010年6月 B U L L E T I N O F T H E C H I N E S E C E R A M I C S O C I E T Y J u n e ,2010 无铅压电陶瓷的研究与应用进展赵 亚,李全禄,王胜利,秦梅宝,张引红(陕西师范大学物理与信息技术学院应用声学研究所,西安 710062)摘要:本文综述了无铅压电陶瓷研究开发的相关进展,着重介绍了钙钛矿结构无铅压电陶瓷(包括B a T i O 3(B T )基无铅压电陶瓷、B i 1/2N a 1/2T i O 3(B N T )基无铅压电陶瓷、碱金属铌酸盐K 1/2N a 1/2N b O 3(K N N )基无铅压电陶瓷)、钨青铜结构无铅压电陶瓷及铋层状结构无铅压电陶瓷等不同陶瓷种类的相关体系、制备方法及压电铁电性能,并根据相关性能参数分析了无铅压电器件的应用领域,最后对其发展前景进行了展望。
关键词:无铅压电陶瓷;钙钛矿结构;钨青铜结构;铋层状结构中图分类号:T Q 127.2文献标识码:A文章编号:1001-1625(2010)03-0616-06P r o g r e s s e s i n D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n so f L e a d -f r e e P i e z o e l e c t r i c C e r a m i c sZ H A OY a ,L I Q u a n -l u ,W A N GS h e n g -l i ,Q I NM e i -b a o ,Z H A N GY i n -h o n g(I n s t i t u t eo f A p p l i e d A c o u s t i c s ,S c h o o l o f P h y s i c s a n dI n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ,S h a a n x i N o r m a l U n i v e r s i t y ,X i 'a n 710062,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r e s e a r c ha n dr e c e n t p r o g r e s s e s o f l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s w e r e r e v i e w e di n t h i s p a p e r ,w h i c h i n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l y d i f f e r e n t s y s t e mt y p e s o f p e r o v s k i t e s t r u c t u r e l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s (i n c l u d i n gb a r i u m t i t a n a t eB a T i O 3(B T ),s o d i u m b i s m u t ht i t a n a t eB i 1/2N a 1/2T i O 3(B N T ),p o t a s s i u ms o d i u mn i o b a t e K 1/2N a 1/2N b O 3(K N N )b a s e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s ),t u n g s t e n b r o n z e s t r u c t u r e l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s a n db i s m u t hl a y e r s t r u c t u r e l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s .M e t h o do f p r e p a r a t i o n a n dp i e z o e l e c t r i cf e r r o e l e c t r i c p r o p e r t i e s w e r e a l s o s u m m a r i z e d .T h ed e v i c ea p p l i c a t i o n s o f l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s w e r e a n a l y z e d o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e i r r e l a t e d p a r a m e t e r s .F i n a l l y ,d e v e l o p m e n t p r o s p e c t o f l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s w a s d i s c u s s e d .K e y w o r d s :l e a d -f r e e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s ;p e r o v s k i t e s t r u c t u r e ;t u n g s t e n b r o n z e s t r u c t u r e ;b i s m u t h l a y e r s t r u c t u r e基金项目:国家自然科学基金(N o .10374064);陕西省自然科学基金(2006A 03);中央高校基本科研业务费专项资金(2010Z Y G X 020)作者简介:赵 亚(1980-),女,硕士研究生.主要从事功能陶瓷及应用研究.通讯作者:李全禄.E -m a i l :l q l 0314@y a h o o .c o m .c n1 引 言压电陶瓷作为一种将机械能与电能相互转换的重要功能材料,因具有稳定的化学特性、优异的物理性能、易于制备各种形状和任意极化方向的材料特性,广泛应用于基于压电等效电路的振荡器、滤波器和传感器,各种类型的水声、超声、电声换能器等,遍及日常生活、工业生产以及军事等领域[1]。
PZT基铁电陶瓷材料疲劳特性研究的开题报告
PZT基铁电陶瓷材料疲劳特性研究的开题报告1.选题背景铁电陶瓷材料是一类重要的功能材料，在传感器、电子元器件、翻转器、换能器等领域有着广泛的应用。
其中，Pb(Zr,Ti)O3(PZT)作为铁电陶瓷材料的代表，因具有良好的铁电、压电、弯曲电效应、压电耦合等性能，因此广泛应用于传感器、换能器等领域。
然而，随着应用领域的不断拓展，PZT陶瓷材料的使用寿命和可靠性问题日益引起人们的关注，尤其是在高温、高压、高电场等恶劣环境下，PZT陶瓷材料易出现疲劳现象。
2.研究意义针对PZT陶瓷材料的疲劳问题，进行深入的研究，不仅有利于揭示材料的疲劳机制和物理本质，而且对于材料的改进和优化具有重要意义。
因此，研究PZT基铁电陶瓷材料的疲劳特性，对于推动铁电陶瓷材料的发展和提高其工程应用的可靠性具有重要的学术和实用意义。
3.研究内容本论文拟从以下几个方面进行探究：(1)PZT陶瓷材料的基本性质及铁电特性。
(2)PZT陶瓷材料的疲劳机制及影响因素的分析。
(3)采用拉伸、压缩、弯曲等不同加载方式，对PZT铁电陶瓷的疲劳行为进行研究。
(4)疲劳断口形貌、微观组织和晶体结构的分析。
(5)通过模拟、数值计算等手段，对PZT陶瓷材料的疲劳寿命进行预测和评估。
4.研究方法(1)实验方法：采用拉伸、压缩、弯曲等不同加载方式对PZT铁电陶瓷进行交变载荷下的疲劳试验。
(2)显微结构分析：采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等手段对疲劳断口、微观组织和晶体结构进行分析。
(3)数值模拟：利用有限元分析软件对PZT陶瓷材料的疲劳寿命进行预测和评估。
5.预期成果通过对PZT铁电陶瓷材料的疲劳特性研究，预计可以得到以下成果：(1)揭示PZT陶瓷材料的疲劳机制和物理本质。
(2)建立PZT陶瓷材料的疲劳行为模型。
(3)探究PZT陶瓷材料的疲劳寿命与不同参数的关系。
(4)对PZT陶瓷材料的改进和优化提供一定的参考和指导。
6.研究进度安排本论文的研究进度安排如下：(1) 5月份：完成文献资料收集和研究背景的撰写。
Bi0.5 Na0.5 TiO3基无铅压电陶瓷的研究进展
甘肃 科技
Ｇａ ｎ ｓ ｕ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ １
ｆ ． ２ ９ Ｎｏ ． １ ４
０ １ ３ Ｊ ｕ ｔ ． ２
Ｂ － ０ ＿ ５ Ｎ ａ ｏ ． ５ Ｔ ｉ Ｏ ３基 无铅压 电陶瓷 的研究进展
２ ． １ 溶胶 一 凝 胶 法
瓷的替代品 。
１ Ｂ Ｎ Ｔ无 铅 压 电 陶瓷
Ｂ Ｎ Ｔ无 铅 压 电 陶 瓷 是 １ ９ ６ ０年有 Ｓ ｍ ｏ ｌ ｅ ｎ ｓ ｋ ｙ
溶胶 一凝胶 法是 制备 超微 颗 粒 的一种湿 化学 方
法， 它 的基 本原 理如 图 １ 所示 。
等 发现的一种 Ａ位复合取代 的钙钛矿 （ Ａ Ｂ Ｏ ） 结 构的铁 电材料。Ｂ Ｎ Ｔ在室温下为三方 晶系（ ａ ＝ ０ ． ３ ８ ８ ６ ｎ ｍ， 仅＝８ ９ ． １ ６ ℃） ， 在约 ２ ３ ０ ｏ Ｃ左 右经 历弥 散 相 变（ Ｄ Ｐ Ｔ ） 转变为反铁 电相 ， 在３ ２ ０℃转变为 四方顺 电相 ， ５ ２ ０ ｃ Ｉ ： 以上 ， Ｂ Ｎ Ｔ为立方 相 ＿ ４ Ｊ 。Ｂ Ｎ Ｔ陶瓷具 有 铁电性 强 、 相 对 较 大 的剩 余 极 化 强 度 （ Ｐ ｒ＝３ ８ ￣ ｅ ／ ｅ ｍ ） 、 大的压 电系数（ ， ， 约为 ４ ０ ％一 ５ ０ ％） 、
・ 基 金 项 目 ：宁 夏 大 学 科 学 研 究基 金 资 助 项 目（ ＺＲ Ｉ １ ５ ３ ）。 教 育 部 自然 科 学 重 点 基金 资助 项 目 （ １ ０ ５ １ ５ ４ ）
第ｌ ４ 期
师金华等 ： Ｂ ｉ ０ ＿ ５ Ｎ ａ 。 ． ５ Ｔ ｉ Ｏ 。 基无铅压电陶瓷的研究进展
压电陶瓷应用研究进展
引言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 ,它具有压电效应。
所谓压电效应是指由应力诱导出极化 (或电场 ) ,或由电场诱导出应力 (或应变 )的现象 ,前者为正压电效应 ,后者为负压电效应 ,两者统称为压电效应。
目前为止 ,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域 ,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。
随着新工艺和新材料的出现 ,压电陶瓷应用日新月异 ,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。
2压电陶瓷的广泛应用压电陶瓷的应用十分广泛。
大体说来 ,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。
2 1压电陶瓷频率控制器件压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等 ,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。
压电陶瓷片 (压电振子 )在外加交变电压作用下 ,会产生一定频率的机械振动。
在一般情况下这种振动的振幅很小 ,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振 ,振幅大大增加。
这时 ,交变电场通过逆压电效应产生应变 ,而应变又通过正压电效应产生电流 ,电能和机.免费能源--压电陶瓷的新用途。
压电陶瓷4000千瓦压电能量回收系统在以色列的高速公路（一公里能发出的电力是400千瓦电能。
)压电陶瓷是我们常见的“免费能源”比如，你身上的打火机。
你家煤气炉子的打火器。
还有压电陶瓷扬声器。
但是有没有人想过：用她来建一座发电厂呢？以色人就想到这点。
并且…建成‟--以汽车驶过。
路基受压。
的压电陶瓷公路。
这种压力是不必付款的免费能源。
只要初期投资。
以后将不必要任何"能源"的再投入。
而且永远免费。
路面下埋藏着…压电陶瓷的高速公路。
1立交桥更是非常棒的发电厂。
原则产生电已经应用于设备被放置在其振动沥青路面。
转换成电力,以色列的工程师希望收获的能量从过往车辆。
他们的精力充沛的数字是看点。
发包人哈伊姆阿布拉莫维奇从理工(以色列海法的理工学院)说该系统能生产400千瓦从1公里长的伸展,在一条四车道的公路系统。
先进陶瓷材料的疲劳与断裂研究
先进陶瓷材料的疲劳与断裂研究先进陶瓷材料，这玩意儿听起来是不是有点高大上？但其实它在咱们生活中的应用可不少呢！比如说，一些高级的电子设备里、精密的机械部件中，都有它的身影。
我记得有一次，我去一个工厂参观。
那是一家专门生产高科技陶瓷零部件的地方。
我看到工人们在操作台上，小心翼翼地摆弄着那些看似不起眼，实则价值不菲的陶瓷材料。
其中有一个环节，就是对陶瓷材料进行疲劳和断裂的测试。
当时我就很好奇，凑过去看。
只见测试人员把一块陶瓷样片固定在一个复杂的机器上，然后机器就开始有规律地施加力量，模拟各种使用场景下可能受到的应力。
我盯着那个样片，心里想着：“这小小的陶瓷片能经受得住这样的折腾吗？”随着测试的进行，我发现这陶瓷材料还真不简单。
一开始，它几乎没有什么变化，就像一个坚强的战士，坚定地抵抗着外力。
但时间一长，细微的裂纹开始出现了。
这让我想起了咱们人，有时候表面上看起来好好的，但其实内在已经积累了很多压力和疲惫，只是没到爆发的时候。
咱们言归正传，来说说先进陶瓷材料的疲劳。
这就好比你不停地跑马拉松，一开始体力充沛，没啥感觉，但跑的次数多了，身体就会吃不消。
陶瓷材料也是这样，在反复的受力作用下，内部结构逐渐发生变化，产生微小的损伤。
这些损伤慢慢积累，最终可能导致材料的性能下降。
再说说断裂。
断裂就像是压死骆驼的最后一根稻草。
当疲劳积累到一定程度，材料无法再承受哪怕一点点额外的力量，“咔嚓”一声，就断裂了。
这可不是闹着玩的，在很多关键的应用场景中，比如航空航天领域，如果陶瓷材料突然断裂，那后果不堪设想。
为了研究陶瓷材料的疲劳与断裂，科学家们可是费了不少心思。
他们要通过各种先进的仪器和技术，来观察材料内部的微观结构变化。
就像医生用显微镜来诊断病人的病情一样，只不过这“病情”是陶瓷材料的疲劳和断裂“症状”。
而且，研究这个可不只是在实验室里捣鼓捣鼓就行。
还得考虑实际的使用环境，温度、湿度、压力等等因素都可能影响陶瓷材料的疲劳和断裂特性。
压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势_李环亭
研 究了 铈掺 杂对 P S N-P Z N-P M S-
P Z T 压电陶瓷性能的影响 , 结果发现随着 C e O 2的 添加 , 介电常数增加 , 居里温度降低 , 压电常数增 加 , 机械品质因数和机电耦合系数下降 。 铈掺杂 在强场下对该系统介电性能的影响基本 上和弱 场下的变化趋势相近 , 随着外 加场强的增加 , 介 电常数和介电损耗增加 。 从离子半径考虑 , 铈离 子有两 种 价态 C e和 C e , 离 子 半径 分 别 为 0. 094 n m 和 0. 118 n m , 当添加适 量氧化铈 时 , C e 可以占据钙钛矿结构中 P b 的位置 , 从而使 晶体中出现铅缺位 , 铅缺位的出现使得电畴运动 变得容易进行 , 很小的电场便可以使畴壁发生移 动 , 由于畴的转向变易 , 使得沿电场方向 取向畴 的数目增加 , 从而增加了剩余 极化强度 , 使得压 电效应增加 。 研究者
为了改进锆钛酸铅系压电陶瓷的性能 , 采用
同一类元素去置换原组成元素 , 或掺入微量杂质 进行热压烧结等方法进行 改性 。 通过掺 入微量 杂质就能大大改变机电耦合系数 、介电常数 ε 、机 械品质因素 Q m等 , 满足不同应用条件对材料提 出的性能要求 , 主要掺加有稀土元素氧化物 N b 2 O a e O 5, L 2O 3, C 2 , 在电子陶 瓷中作为微量 添加物 加入 , 以改 进性能 ; 过渡 元素氧 化物 ( M n O e 2, F 2 O 对压 电 陶 瓷 影 响 极 大 , 要 求 小 于 0. 1% ; 3) C a, S r,B a 离子半径与 P b 接近 , M g 离子 2+ 半径与 T i 接近而与主成分置换产生固溶体 , 可 以提高压电陶瓷某些性能指数 。 等
压电陶瓷在电声技术中的应用研究
压电陶瓷在电声技术中的应用研究压电陶瓷作为一种常见的材料，广泛应用于电声技术领域。
它具有压电效应，可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能，因此在声音的产生、接收和控制方面都有应用。
本文旨在探讨压电陶瓷在电声技术中的应用研究。
一、压电陶瓷的基本原理压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
压电效应是指当压电陶瓷受到机械应力作用时会产生电荷，即将机械能转化为电能；反之，当压电陶瓷受到电场作用时会产生机械应力，即将电能转化为机械能。
具体来说，压电陶瓷中的晶格结构呈现出不对称性，导致晶格中正负离子间的电荷分布不平衡。
当外加机械应力改变了晶格结构的对称性时，正负离子之间的电荷分布发生变化，从而形成电荷极化现象。
这种电荷极化现象也就是压电效应。
二、压电陶瓷在电声技术中的应用1、压电陶瓷声学传感器压电陶瓷声学传感器是一种将声波信号转化为电信号的设备。
它通过在压电陶瓷片上施加声波，产生的电信号就可以代表来自声波的信息。
这种传感器被广泛应用于汽车行业、航空航天、医疗设备等领域。
2、压电陶瓷扬声器压电陶瓷扬声器是一种利用压电效应将电信号转化为机械振动的设备。
它可以将电信号转化为可听的声音信号。
与传统的电动扬声器相比，它的尺寸更小、重量更轻、功耗更低，因此可以应用于更多场合。
3、压电陶瓷振动器压电陶瓷振动器是一种将电信号转化为机械振动的设备。
它可以实现高精度、高稳定性的振动控制，用于超声波发生器、精密加工设备等领域。
4、压电陶瓷降噪器压电陶瓷降噪器是一种能够抑制噪声的设备。
它通过将压电陶瓷片放置在被测物体表面，利用其压电效应控制传感器的振动，从而抑制噪声。
这种技术被广泛应用于航空航天、机械制造等领域。
三、压电陶瓷在电声技术中的研究进展目前，随着科技的不断进步，人们对压电陶瓷的应用研究也越来越深入。
一些新的技术和应用也在逐步发展：1、压电纳米发电机近年来，压电纳米发电机引起了科学界的广泛关注。
它是一种新型设备，通过压电陶瓷纳米结构将机械能转化为电能。
压电陶瓷国外发展现状
压电陶瓷国外发展现状压电陶瓷（Piezoceramics）是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有压力或电压被施加时产生变形或电势的特性。
压电陶瓷由于其独特的物理特性在智能材料领域具有广泛的应用前景。
以下是压电陶瓷在国外的发展现状。
压电陶瓷在国外已经取得了显著的进展。
目前，主要的压电陶瓷研究和应用机构集中在欧美，如美国、德国、英国和日本等国家。
这些国家在压电陶瓷的研究、开发和应用方面都有丰富的经验和技术优势。
在科研领域，国外一些大学和研究机构在压电陶瓷的基础研究和应用研究方面取得了很多突破。
研究人员不断探索新的材料组合和制备工艺，提高了压电陶瓷的性能，如压电系数的提高、热稳定性的改善和可设定的压电陶瓷纤维等。
在应用方面，压电陶瓷在声波器件、传感器、驱动器件等领域得到了广泛应用。
例如，压电陶瓷常被用于制造传感器，用于测量和控制应力、压力、温度、加速度等物理量。
此外，压电陶瓷还广泛应用于超声波设备、振动器、陶瓷变压器、压电陶瓷驱动器等领域。
其中，压电陶瓷超声波器件在医疗、清洗和通信等领域具有广阔的市场应用前景。
另外，压电陶瓷在能源领域也有广泛应用。
例如，压电陶瓷可以用来收集机械振动能量，并转换为电能，用于供电或储能。
这种能量收集技术已经被应用在一些无线传感器网络、自动监测系统和自供能器件等领域。
总的来说，国外在压电陶瓷的研究、开发和应用方面取得了显著的成果。
不仅在基础研究方面有了很多突破，而且在应用领域也有广泛的应用。
虽然国内在压电陶瓷方面的研究还相对较为滞后，但国内研究者也在不断努力，希望在压电陶瓷的研究和应用方面能够取得更大的进展。
在未来，随着智能科技和物联网的快速发展，压电陶瓷的应用前景将更加广阔。
国内的相关科研机构和企业应该加大研发力度，提高压电陶瓷的研究水平和应用技术，以促进中国智能材料产业的发展。
大功率铅基压电陶瓷材料的研究进展
是在准 同型相 界附 近找 到合适 的锰 、 、 、 的 比例 Ⅲ： 锑 锆 钛
二 是 进 行 掺 杂 取 代 改 性 。这 方 面 的 研 究 有 稀 土 元 素 经 时 稳 定 性 和 温 度 稳 定 性 要 好 ，材 料 的 机 械 品 质 冈 素 要 （ｕ ３ ｅ ２Ｙ ２ ，ｕ ３ ） 杂 、ｉ 、ｅ ３Ｎ ２ｊ Ｌ ２ ， Ｏ，ｂ ３Ｅ ２ 等 掺 ０ Ｃ ０ ０ Ｎ Ｏ Ｆ ２ 、ｂ０ 等掺 杂 ， ０ 还有 Ｓ Ｍ 。 取代［。 ｒ ，ｇ 等 ５ －
压 电单 晶 体 Ｉ 酸锂 （ ｉａ 。 钽 ＬＴ Ｏ） 、 酸 锂 （ ｉｅ ３ 锗 ＬＧ Ｏ） ｆ 钛酸 钡
一
Ｊ 硫酸锂（ ｉ ０・ Ｌ。 ｓ ０即 Ｌ Ｈ ） Ｓ Ｏ
应 ． 国、 美 日本 和前苏联 于二 战 中期 几乎 同时发现 钛酸钡 （ａ ｉ 。 有高介 电常数。１９ Ｂ Ｔ Ｏ） 具 ８ ４年沃 伊特指 出＿，２ ｌ３ 种点 ＿
摘
要 本 文 综 述 了大 功 率 压 电 陶瓷 材 料 的研 究 进 展 ， 绍 了其 体 系 结 构 、 用 和 制 备 方 法 ， 后 指 出掺 杂 介 应 最
改 性 、 索 新 的 材料 体 系 和制 备 Ｔ 艺 是 改进 其制 备 的有 效 途 径 。 探
关 键 词 压 电 陶 瓷 ， 功 率 ， 损 耗 大 低
维普资讯
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无铅压电陶瓷的研究与应用进展
无铅压电陶瓷的研究与应用进展一、本文概述随着科技的进步和社会的发展，无铅压电陶瓷作为一种重要的功能材料，其在众多领域中的应用越来越广泛。
无铅压电陶瓷，顾名思义，是指那些不含有铅元素，同时具备压电效应的陶瓷材料。
这类材料因其独特的物理性质，如压电性、热释电性、铁电性等，使得它们在传感器、换能器、谐振器、滤波器、驱动器等电子元器件以及医疗、环保、能源、通信等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在全面综述无铅压电陶瓷的研究现状和应用进展。
我们将首先介绍无铅压电陶瓷的基本概念、性质及分类，然后重点论述其制备工艺、性能优化、改性方法等关键技术问题。
我们还将对无铅压电陶瓷在各个领域的应用情况进行深入探讨，分析其在不同应用场景中的优势和挑战。
我们将对无铅压电陶瓷的未来发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究和应用提供有益的参考。
二、无铅压电陶瓷的分类与性能无铅压电陶瓷，作为一种环境友好且性能优良的压电材料，近年来受到了广泛的关注和研究。
根据其组成和结构的不同，无铅压电陶瓷主要可以分为以下几类：碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷以及其他复杂结构无铅压电陶瓷。
碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷，如钛酸钡（BaTiO3）和钛酸锶（SrTiO3）等，具有较高的居里温度和稳定的压电性能。
这些材料在传感器、执行器以及谐振器等领域有着广泛的应用。
然而，它们的压电性能相对铅基压电陶瓷来说较低，因此，提高其压电性能是无铅压电陶瓷研究的重要方向。
铋层状结构无铅压电陶瓷，如铋酸钠（Bi2NaNbO7）和铋酸钾（Bi2KNbO7）等，具有层状结构和良好的压电性能。
这类材料的压电常数和介电常数都较高，因此在高频、高功率、高温等极端环境下具有广泛的应用前景。
然而，其居里温度较低，限制了其在高温领域的应用。
钨青铜结构无铅压电陶瓷，如铌酸钾钠（K5Na5NbO3）和铌酸钾锂（LiNbO3）等，具有良好的压电性能和较高的居里温度。
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Research Progress on the Electrical Fatigue of Piezoelectric Ceramics
Liu Haifeng
(
Tian Shi
Xie Jun
Beijing 100083 )
Dept. of Materials Sci. & Eng. Beijing Uni. of Aero. & Astro.
宇航材料工艺 2000 年 第6期
[ 12] [ 18]
变化不大。A. Levst ik
[ 9]
报道
33 、
PLZT 陶瓷在 2 ! 10 次循环后 , P r 、 复介电常数
复压电常数 d 33 及机电耦合系数 k 31 开始下降, E C 只 有少许变化 ; 而复弹性柔顺系数 s 11 、 电致伸缩系数 Q 12 、 电品质因数 Q e、 机械品质因数 Q m 和机电品质 因数 Q me 与循环次数无关。实验观察还表明 , 在电 疲劳试样中, 常有分散的微裂纹存在 3
[ 1, 8]
。
压电陶瓷电疲劳机理 对于压电陶瓷电疲劳现象的研究已有 40 多年
的历史, 研究者陆续提出了一些电疲劳机理, 但还没 有确切统一的认识 , 目前较为接受的主要有畴夹持 模型[ 10, 11] 、 电极连接[ 5, 12] 和内应力集中[ 1, 13, 14] 。 Pan 等认为陶瓷体内空间电荷和缺陷在外电场 作用下重新分布 , 组成与外电场方向相反的空间电 场, 由于极化电场反转比空间电场快, 因此在反转过 程中 , 空间电场总是落后于极化电场, 导致一部分畴 被夹持, 并且在 多次循环中积累, 造成电 疲劳。 Q. Y. Jiang 等也提出, 陶瓷体内的气孔和晶界易俘获空 间电荷, 在高交变电场下 , 空间电荷被注入晶粒和晶 界, 与畴壁和畴中缺陷作用, 使畴重新取向至更稳定 状态 , 即最小能量畴态, 极化强度减小。畴夹持模型 还认为 , 电疲劳试样在铁电 顺电相变温度以上加 热一段时间后, 空间电荷或缺陷对畴的夹持会被消 除, 电滞回线可部分或全部 ( 少数情况下 ) 恢复。此 现象 在多次实验 中得到证 实 。但是畴 夹 持模型不能解释不可恢复的那一部分疲劳, 因此畴 夹持模型不是压电陶瓷电疲劳的唯一机理。 Tailor、 Q. Y. Jiang 则将压电陶瓷的电疲劳 归结 为不合适的电极连接或表面处理造成的表面损伤 , 而不是陶瓷体内部结构破坏或 畴分布的变化。 Q. Y. Jiang 等指出电极 陶瓷界面在高交变电 场下有 可能存在电化学反应、 电晕现象和接触损伤效应, 使 电极 陶瓷界面受损 , 部分电极失效, 造成电极受损 区和未受损区电场分布不一致 , 导致应变不均 , 诱发 微裂纹 , 使陶瓷电性能恶化和机械破坏。Q. Y. Jiang 等在实验中观察到, PLZT 陶瓷的电疲劳始于电极 陶瓷界面 , 损伤区与未受损区颜色有差异, 微裂纹从 电极 陶 瓷 界 面 向 内 部 扩 展。 白 辰 阳 等[ 16] 在 PMN PNN PZ PT 陶瓷中也发现了类似的现象。 2
[ 4, 5] [ 6]
宇航材料工艺
2000 年
第6期
1
Takenobu SAKAI 发现 PZT 陶瓷在 10 次循环 后, 机电耦合系数 k p 从初始约 0. 65 下降至 0. 5, 但 是相对介电常数
T 33 / 4 0
[ 8]
8
Carl 提出内应力集中是引起压电陶瓷电疲劳的 原因。他在电疲劳试样中观察到微裂纹的存在, 并 认为晶粒间的内应力、 热膨胀系数的各向异性或大 电场诱发的应力导致微裂纹的产生。 Q. Jiang 、 S. S. Park 等人也认为压电陶瓷内部晶粒交界处、 气孔和 空位等结构不连续处存在应力集中, 引起局部畴反 转 , 产 生大 的机 械应 力, 诱 发微 裂 纹。 Q. Jiang 在 PZT 电疲劳试 样中观察 到微裂纹 绝大部分 是沿晶 的 , 并且位于三晶粒交界处。S. S. Park 用莫尔干涉 仪在压电陶瓷内一个模拟孔周围测量到大的应力/ 应变集中。 以上三种电疲劳机理都能很好地解释各自的实 验结果 , 但是综合以往的研究, 在实际中 , 压电陶瓷 电疲劳往往不是单一机理起作用的结果 , 而是多种 机理共同存在和共同作用引起, 在不同的条件下 , 起 主导作用的机理亦有所不同 [ 11, 16] 。 4 压电陶瓷电疲劳影响因素 对于影响压电陶瓷电疲劳的因素, 国内外多有 研究, 但是也得出了不少相互矛盾的结论 , 综合以往 的研究结果, 认为以下因素对压电陶瓷的电疲劳有 影响。 4. 1 电场强度 E 电场强度是影响压电陶瓷电疲劳的关键因素。 一般认为 , 当 E < E c 时, 压电陶瓷电疲劳不明显 ; 而 当 E > E c 时, 电疲劳明显, 电性能下降很快。测试 了 PMN PZT 压电陶瓷( E c = 11. 0 kV/ cm) 在不同电 场强度下的电疲劳曲线, 当 E = 3. 0 kV/ cm 时 , 试样 经 109 次循环电性能下降不明显; 而当 E = 16. 0 kV/ cm 时 , 试样的电性能在 106 次循环后明显下降[ 17] 。 近年来的研究表明 , 电场对陶瓷体内裂纹扩展 有显著影响。 Cao 和 Evans 用 V 氏压痕技术在压 电陶瓷上预制裂纹, 并研究了循环电场对微裂纹扩 展的影响, 发现当 E ∀1. 1 E c 时, 裂纹持续扩展 , 随 后达到稳定扩展状态 ; 而当 E < 0. 9 E c 时, 裂纹仅 有少量扩展 ( 约 50 m) 。但最近 Ting 等[ 19] 提出不同 观点 , 认为即使在 E < E c 下, 由于应力集中, 裂纹尖 端电场仍有可能超过 E c, 促使裂纹扩展。 4. 2 疲劳电源 Merz 和 Anderson[ 7] 报道正弦波和脉冲波电源对 于 BaT iO3 单晶的疲劳特性有影响。而 Taylor 则发 现当交变电场波形从正弦波变成脉冲波时, Pb( Zr,
Abstract Electrical fatigue is a main obstacle of piezoelectric ceramics applied in various acuators, and it is a re search focus at home and abroad. In this paper, research progress on the electrical fatigue of piezoelectric ceramics in re cent years is reviewed briefly for electrical fatigue phenomena, electrical fatigue mechanism and effects on electrical fa tigue. Key words 1 引言 压电陶瓷具有很强的机电耦合效应及对外电场 响应迅速等特点 , 因此非常适合用来制作智能结构 中的各类驱动器元件 , 以达到精密定位、 减震和噪音 控制等目的[ 1, 2] , 另 外压电陶瓷驱动器也有望 成为 新一代空空导弹、 卫星的扫描元件。压电陶瓷驱动 器往往要求在大应变和循环交变电场下工作, 而压 电陶瓷易出现电疲劳 , 电性能下降 , 影响驱动器正常 工作。以往的研究证明, 压电陶瓷的电疲劳是不可 避免的, 而且成为压电陶瓷驱动器应用的主要障碍 , 也是 驱 动器 可 靠性 和 耐久 性设 计 的 首要 考 虑 因 素[ 1, 3] 。随着压电陶瓷驱动器在民用和军事高科技 领域日益广泛的应用, 压电陶瓷电疲劳正成为目前 国内外研究的热点。本文从压电陶瓷电疲劳现象、
现, 在低频 ( 50 Hz) 电场作用下, 三角波和正弦波对 PMN PZT 陶瓷电疲 劳影响 不大, 而在高 频 ( 1 000 Hz) 电场下, 三角波比正弦波更易造成电疲劳 4. 3 陶瓷成分 Taylor
[ 12] [ 17]
。
研 究了 24 种不同成分的掺铌 Pb( Zr,
Sn, Ti) O3 陶瓷的电疲劳行为, 认为疲劳速率取决于 成分。成分对于陶瓷电疲劳的影响见表 1, 从表 1
综述
压电陶瓷电疲劳研究进展
刘海峰
(
田
莳
谢 军
北京 100083 )
北京航空航天大学材料科学与工程 系
文
摘 电疲劳是压电陶瓷材料应用于各类驱动器的主要障碍 , 也是目前国内外研究的热点 。 本文从
电疲劳现象、 电疲劳机理 、 影响因素等三个方面简要综述了近年来在压电陶瓷电疲劳研究方面的进展。 关键词 压电陶瓷, 电疲劳, 驱动器 , 机理
[ 10, 11, 15, 16]
Sn, Ti) O3 陶瓷的疲劳特性基本没有变化, Stewart 和 Cosent ino
[ 20]
也有类 似的结 论。我 们初步 的实验 发
看出, 不同成分的陶瓷, 其晶体结构不同 , 电疲劳特 性差异很大。Q. Y. Jiang [ 21] 等认为 , 与铁电正方相和 正交相相比, 菱方相在极化反转过程中产生的内应 力要小得多 , 因而疲劳寿命更长 ; 而反铁电相在高电 场下向铁电相转变时, 仅发生 180#畴反转, 产生的内 应力远小于铁电相中 90 #畴反转产生的内应力 , 因此 反铁电陶瓷的疲劳寿命也较长。另外表 1 中铁电正 交相组成的 PLZT 陶瓷, 极化时发生场致相变 , 导致 大内应变波动和内应力 , 故电疲劳较严重。
铁电正交相 反铁电相 铁电正交相 铁电菱方相 反铁电相
4. 4
温度 温度对于压电陶瓷电疲劳也有显著的影响。表
表 1 成分对 PLZT 陶瓷电疲劳的影响 Effects of compositions on electrical fatigue of PLZT ceramics
相类型 铁电菱方相 铁电正交相
* 8
疲劳性能 10 次循环后无疲劳 107 次循环后出现疲劳 105 次循环后出现疲劳 107 次循环后出现疲劳 105 次循环后出现疲劳 108 次循环后无疲劳 109 次循环后少许疲劳