特种陶瓷第五讲 压电陶瓷

压电常数D33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。
2）、机电耦合系数Kp
压电陶瓷应用
压电超声医疗仪：生物医学工程是压电陶瓷应用的 重要领域。用作生物医学材料的压电陶瓷称为压电 生物陶瓷，如铌酸锂、锆钛酸铅和钛酸钡压电陶瓷 等。压电生物陶瓷主要用于制作探测人体信息的压 电传感器 ( 如用钛酸钡压电陶瓷制作的心内导管压 电微压器和心尖搏动音传感器，用复合压电材料制 作的脉压传感器)和压电超声医疗仪。
压电陶瓷应用
压电地震仪：地震是常见的自然现象。全世界每年要发 生几百万次地震，平均每分钟就有十几次。不过绝大多 数地震比较微弱，人们感觉不到。强烈的大地震，一般 每年不过三五次。然而这种大地震一旦发生，对人类造 成的灾难是毁灭性的，因此地震预报十分重要。测量地 震的仪器灵敏度越高越精确，地震预报就报得越早越准， 就可把地震带来的损失减得越小。
压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ陶瓷应用
压电超声医疗仪中应用最广的是 B 型超声诊断仪。这种诊断仪中有 用压电陶瓷制成的超声波发生探 头，它发出的超声波在人体内传 输，体内各种不同组织对超声波 有不同的反射和透射作用。反射 回来的超声波经压电陶瓷接收器 转换成电信号，并显示在屏幕上， 据此可看出各内脏的位臵、大小 及有无病变等。 B 型超声诊断仪通 常用来检查内脏病变组织 ( 如肿块 等)。
压电陶瓷应用
压电打火机：压电打火机，就是应用了压电陶瓷的压电 效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，使 一根钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高 电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在这种打火 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。当压电陶瓷把机械能转 换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损， 可以长久使用下去，所以，压电打火机使用方便，安全 可靠，寿命长。
压电陶瓷的应用
压电陶瓷应用
压电陶瓷应用
压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切 相关。其应用大致可归纳为以下四方面。 能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可 用于制造压电打火机、压电点火机、移动 X 光机电源、 炮弹引爆装臵等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声 振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及 超声清洗、超声医疗等。
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：
或
通过逆压电效应转换所 得的机械能 K 转换时输入的总电能
2
通过正压电效应转换所 得的电能 K 转换时输入的总机械能
2
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。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
Ｅ
电 场 方 向
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化
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。
Qm 2 谐振时振子储存的机械 能 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
f a2 Qm 2f r R(C0 C1 )( f a2 f r2 )
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
②自发极化（Spontaneous Polarization）


120℃以下，BaTiO3晶体 结构稍有畸变，为四方 结构，Ba2+和Ti4+相对于 O2-产生了一个位移，结 果沿C 轴方向正负电荷 中心不重合，产生了极 化（自发极化），通常 把这种转变温度称为居 里温度或居里点（Tc）。 120℃到5℃自发极化沿 C轴[001]方向。
压电陶瓷应用
传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的 机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、 气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。 驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产 生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密 机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。 频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和 谐振器。
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩 余极化强度；Ec矫顽电场。
压电效应及材料
1、压电效应


对某些晶体施加机械力而引起它们内部正负电 荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两 端表面内出现符号相反的束缚电荷。 在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆 关系，这种现象称为正压电效应（压→电） 。
(a)不受外力
N33=fr×l
N15=fr×lt
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Δ f值较小时，可用下式直接计算： 当σ =0.27时，Kp2≌2.51Δ f/fs 当σ =0.30时，Kp2≌2.53Δ f/fs 当σ =0.36时，Kp≌2.55Δ f/fs
压电式平面喇叭

经由双簧式压电致动器出力使基板产生 振动从而构成一扬声机制：用于移动电 话、个人数码助理(PDA) 、笔记本电脑 等之发声模块。
MICROSPEAKER 15g
DMA 3g
压电喇叭应用实例
N506i V501T
压电陶瓷驱动器



压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多 不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的 变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压 电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子 技术、生物工程等领域都是一大福音。 据报道，88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在 20ms内产生50μm的位移，响应速度之快是其它 材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必 须的材料， 已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、照相 机自动聚焦、机器人微定位器、磁头、喷墨打印 机和扬声器等。
4）、频率常数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。
N=fr×l
其中：
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D Nt=fr×t
D为圆片的直径
薄板厚度伸缩振动
细长棒K33振动 薄板切变K15振动
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度


铁电晶体中存在着自发极化 方向不同的小区域，那些自 发极化方向相同的区域称为 电畴（黑色粗线为畴壁）。 对于自发极化而言，从宏观 统计来看，晶体中存在着各 个方向的自发极化，它们相 互抵消，宏观上对外不呈现 极性。
③铁电陶瓷 (Ferroelectric Ceramics)

某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而 且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材 料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶 瓷材料称为铁电陶瓷.
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。 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅 以及三元系压电陶瓷等。
压电陶瓷应用
压电探鱼仪：探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设 备。其声波发射部分和接收部分用压电陶瓷制成。压电 陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向水中 发射声波。声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来， 压电陶瓷接收部分收到回波后，即将它变换成电信号， 经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密集程度、 方位和距离等，便于捕捞作业。 压电探鱼仪其发射功率已达到兆瓦级。用压电陶瓷制成 的接收部分有很高的灵敏度，根据回波的强弱可以判断 是海底、礁石，还是鱼群，甚至可以判断鱼群的种类、 大小和分布情况。
压电陶瓷
Qm=1/4ΠR1CΔ f×1012
ε
tl /Π Φ =4C 33 t
Ct是薄圆片的低频电容(法拉),可在1KC频率下由电容电桥测 出,lt为薄圆片的厚度(米), Φ 为薄圆片的直径(米), ε 33为自 由介电常数(法拉/米)。 tgδ用电容电桥或万用电桥等测出。
d33用准静态测试仪测定。
压电陶瓷
压电陶瓷


压电陶瓷基本概念及性能参数 压电陶瓷的应用 BaTiO3系压电陶瓷 PbTiO3系压电陶瓷
Pb(Ti,Zr)O3系压电陶瓷
压电陶瓷基本概念及性能参数
三个重要概念
① 极化 （Polarization ）
在电场作用下， 电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象，称为电 介质的极化。



1942年，第一个压电陶瓷材料——钛酸钡（BaTiO3） 先后在美国、前苏联和日本制成，但其压电性随温度 变化较大。 1954年美国B· 贾菲等人 ，发现了压电PbZrO3 -PbTiO 3(PZT)固溶体系统 。 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有 优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器 等。 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。
压电材料的主要特性参数


压电常数
弹性常数


介电常数
机电耦合系数


电阻
居里点
1）、压电常数d33
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。
压电陶瓷应用

积层式压电变压器：用于笔记本电脑液晶显示 器、桌上型电脑液晶显示器、个人数码助理 (PDA)、数码相机(DSC)、数码摄影机(DSC)之 冷阴极管电源模组等。
压电超声马达



世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径 1mm，可作为人造心脏的驱动器。 原理：当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表 面就会产生超声振动。由于定子和转子之间的摩擦力的 作用，转子也会跟着运动起来。 优点：结构简单、启动快、体积小、无电磁干扰。
(b)沿X方向的压力
(c)沿X方向的拉力
逆压电效应


当在晶体上施加电场时，由于电场的作用会引 起介质内部正负电荷中心位移，而这一位移又 使介质发生形变。 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
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线 代表形变后的情况） －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。

机电耦合系数K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 。
3）、机械品质因数Qm
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：
压电打火机
压电陶瓷应用
压电引爆装臵：其实，压电打火机的点火原理可应用 于各个领域，特别是军事领域。在反坦克炮弹上装上 压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产 生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。压电陶瓷在非 常强的机械冲击波的作用下，储存的能量在以微秒计 的瞬间释放出来，产生瞬间电流达 10万安培以上的高 压脉冲，可用于原子武器的引爆。