压电陶瓷基本知识概要
简述压电陶瓷
简述压电陶瓷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，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。
与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。
它具有压电效应。
所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。
前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。
目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。
由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。
一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。
具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。
如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。
此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。
由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
《压电陶瓷》课件
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
压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。
他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。
接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。
此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
完整版压电陶瓷片的原理及特性
完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。
压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。
这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。
压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。
它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。
这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。
2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。
这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。
3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。
因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。
4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。
它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。
5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。
这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。
6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。
7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。
可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。
总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。
这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。
半导体(压电陶瓷)
压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。
随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。
因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。
压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。
其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。
1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。
正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。
反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。
1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。
当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。
但实际是有损耗的。
有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。
压电陶瓷基本知识概要
石英晶体和压电陶瓷的比较
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高( 精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点 ，石英要高4～10倍以上）。
压电陶瓷的主要性能参数
对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关系：
对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）的材料来说，希望具有大的压电 应变常数d。
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）。
电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：
压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电效应的本质
F
－－－－－
－
＋＋＋＋＋ Ｅ
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）
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。 逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
电
极化 方向
场 方
向
－－－－－－
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低 (120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体 ，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL 趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频 作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷基本知识培训材料
压电陶瓷的生产工艺
1
制备成型
2
将混合粉末通过成型工艺进行成型，如
注塑成型或压片成型。
3
后续处理
4
进行。
原料准备
选择合适的原料，并进行粉末混合和筛 分。
烧结处理
将成型的陶瓷坯体进行高温烧结处理， 使其达到高强度和致密度。
压电陶瓷的维护保养
1 避免过大的外力冲击 2 定期清洁和检查
避免陶瓷受到过大的外力 冲击，导致晶体结构破坏。
定期清洁表面和检查陶瓷 的完整性和工作状态，及 时进行维修和更换。
3 保持适当的工作环境
保持陶瓷的工作环境适当， 避免受到湿气、油脂和化 学物质等的影响。
压电陶瓷的种类
铅锆酸钛陶瓷 (PZT)
PZT 是最常用的压电陶瓷材料，具有良好 的压电性能和稳定性。
硬陶瓷
硬陶瓷具有优异的耐高温性能和磨损性能， 常用于特殊环境下的应用。
有机压电陶瓷
有机压电陶瓷材料是一种新型的压电材料，具有较高的柔韧性和成型性，适用于特殊工艺需 求。
压电陶瓷的应用领域
传感器
压电陶瓷可以用于制造压力、 温度和加速度传感器，广泛应 用于汽车、医疗和工业领域。
压电陶瓷基本知识培训材料
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，能够在施加或撤离电场时发生形变， 反之亦然。它可以将机械能转化为电能，也可将电能转化为机械能。
压电效应的原理
压电效应的原理是基于压电材料的晶体结构，当施加外力或电场时，晶体中 的正负离子发生位移，导致晶体整体产生形变和电荷分布的变化。
换能器
压电陶瓷可用作声波和超声波 的发生器和接收器，应用于声 纳、超声波清洗和医学成像等 领域。
振荡器
整理的压电陶瓷基本介绍
压电陶瓷报告1.基本概念压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。
图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。
图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片1.1晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。
该类材料的化学通式为ABO3。
式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。
其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图所示。
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。
如下式及图6所示。
PbTiO3（PT ）：四方相 立方相BaTiO3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相自发极化的产生以BT 材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。
（a ）立方相 （b ）四方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因490℃ 120℃ 5℃ -90℃Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。
这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。
1.2压电效应某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。
如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。
1.3压电陶瓷具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。
1.4压电作用机理压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。
当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。
压电陶瓷详解
1简介压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。
与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。
由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。
为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向。
经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质。
2物质组成常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A 表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。
如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。
此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
3特性介电性及弹性性质压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。
压电陶瓷材料同其它弹性体一样，遵循胡克定律。
压电陶瓷的压电性压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。
正压电性是指某些电介质在机械外力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。
4制作工艺工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。
压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。
压电陶瓷的基本原理和应用
压电陶瓷的基本原理和应用1. 压电陶瓷的定义压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，能够在受到力或压力作用下产生电荷并反之也能将电荷转换为力或位移。
它是一种特殊的功能陶瓷材料，具有压电效应、热释电效应和压阻效应等特性。
2. 压电陶瓷的基本原理压电效应是压电陶瓷的基本原理，它是指在某些特殊的材料中，当受到力或压力作用时，内部原子或分子发生畸变，产生极化，并形成正负电荷的分离。
当压力消失时，电荷又会聚集在一起。
压电陶瓷的基本原理可以用以下几个方面来解释：•压电效应：当施加压力时，陶瓷会产生电荷，并导致其内部结构的畸变。
•电压效应：当施加电压时，陶瓷会发生形变。
•应变效应：当施加外力时，陶瓷会产生与力大小相等的位移。
3. 压电陶瓷的结构和组成压电陶瓷通常由钛酸锆、铅锆酸钛、硅酸铅和双碱玻璃等高温烧结材料制成。
它的结构可以分为两个部分：•基体：主要由粒子组成的陶瓷基底，具有良好的断裂性能和机械强度。
•极化层：位于基体表面的极化层，负责传递外界压力或电场对陶瓷的刺激。
4. 压电陶瓷的应用领域由于其特殊的物理性质和压电效应，压电陶瓷在许多领域都有广泛的应用。
4.1 声学器件压电陶瓷广泛应用于声学器件中，如扬声器、听筒、麦克风等。
压电陶瓷的压电效应可以将电能转换成声能，可以将声音信号转化为电信号，实现声音的放大、传输和感应。
4.2 传感器压电陶瓷的应变效应使其成为理想的传感器材料。
压电传感器可以用于测量压力、力、加速度、形变等物理量，并将其转化为电信号进行采集和分析。
4.3 振动与控制压电陶瓷的振动和控制特性使其在仪器仪表、振动传感器和控制系统中有广泛应用。
它可以用于实现精确的振动控制，如减震、精密定位和振动补偿等。
4.4 超声波技术压电陶瓷的超声波性质使其在医疗、材料研究和工业领域中得到广泛应用。
压电陶瓷可以用于制造超声波发生器和传感器，实现超声波的产生、检测和测量。
4.5 压电陶瓷电源压电陶瓷可以利用压电效应将机械能转化为电能，用于制造压电陶瓷电源。
压电陶瓷
BACK
配料
成型
排塑
老化 测试
混合 磨细
造粒
烧结 成瓷
高压 极化
预烧
二次 磨细
外形 加工
被电 极
BACK
进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料， 注意少量的添加剂要放在大料的中间。 目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准 备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨， 大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。 目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此 道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。 目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀 性能一致打好基础。
• 适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采 用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把 高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转 换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即 超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。
BACK
声纳
• 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神 不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻 找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海 水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是 声纳。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇 到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇 的方位、距离等。
BACK
高压发生器
声音转换器
声纳
谐振器
滤波器
超声波
其他运用
BACK
声音转换器
• 声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、 传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超 声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩 具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振 动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线 路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的 声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音 频电信号转换为声音信号。
压电陶瓷制造工艺过程及知识点总结
压电陶瓷制造工艺过程及知识点总结一、配料原料是制备压电陶瓷的基础。
对于PZT来说它的主要原料为Pb3O4、ZrO2、TiO2。
选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。
1原料的纯度对纯度的要求应适度。
高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。
纯度稍低的原料，其中有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度降低，温区增宽。
但过低纯度原料杂质较多，不宜采用。
2杂质的利用1)杂质的类型①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。
②有利杂质与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。
如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在0.2~0.5%范围内，坏的影响不大，甚至有利。
2)掺杂的改性在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。
因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求纯度均在98%以上。
为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。
等价取代：是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半径较Pb2+ 离子小的二价离子取代Pb2+ 离子，结果使PZT陶瓷的介电常数ε增大↑，机电耦合系数KP增大↑,压电常数d增大↑,从而提高PZT瓷的压电性能。
易价取代：软性取代改性、硬性取代改性、其他。
软性取代改性：是指在原料中加入这些添加物后能使矫顽场强EC 减小↓，极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。
(烧成后的瓷体成黄色) （a）La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb+2离子(施主掺杂)；（b）Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子(施主掺杂)。
6.3压电陶瓷详解
(3)超声波清洗 超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空 化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生 的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学 反应，达到清洗物件的目的。 清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用 10~500 kHz ，一般多为 20~50kHz 。随着频率的增 加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。 超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、 橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到 了越来越广泛的应用。
（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。
电畴示意图
铁电性 极化随外电场转动的性质叫做铁电性。当外电场 变化时，可以使极化强度减少到零和使极化转向， 压电陶瓷都具有这一性质。 未经极化的压电陶瓷由于各电畴的自发极化方向 不一致，相互抵消，宏观极化强度为零。极化后各 电畴的自发极化在一定程度上按外电场的方向排列， 内部极化强度不为零，撤销电场后，大多数电畴还 沿原来电场方向排列，剩余极化不为零。在陶瓷的 上下表面出现电荷.
（5）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。 一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面， 并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原 为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对 于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金 作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处 理。
（6）极化
压电陶瓷片工作原理
压电陶瓷片工作原理
压电陶瓷片是一种能够根据施加在其表面的压力或电场变化产生机械应变或电荷分布的陶瓷材料。
工作原理如下：
1. 压电效应：当压电陶瓷片受到机械应力或压力，如挤压、拉伸、弯曲等，会产生内部的极化现象，使其结构发生微小变形。
这种变形称为压电效应。
2. 反向压电效应：压电陶瓷片的压电效应的反向现象称为反向压电效应。
当施加的机械应力或压力消失时，压电陶瓷片会恢复到初始状态。
3. 电荷分布：当施加电场时，压电陶瓷片的分子结构会发生改变，导致电荷的重分布。
这种电荷分布会产生一个电场，称为极化电场。
4. 压电陶瓷片的应用：由于压电效应和反向压电效应，压电陶瓷片具有可控的机械应变和电荷分布特性，因此被广泛应用于传感器、振动器、压力传感器、电阻计、声学设备等领域中。
需要注意的是，压电陶瓷片的工作原理并不涉及标题中的内容，如压电器件的特性、性能等。
以上是关于压电陶瓷片工作原理的简要介绍。
压电陶瓷简介介绍
02
压电陶瓷具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性等优点，因此在
声纳、医学成像、雷达、电子乐器等领域得到广泛应用。
压电陶瓷在军事、航空航天、环境监测等领域也有着不可替代
03
的作用。
目前存在的问题及解决方案
01
02
03
压电陶瓷的机电转换效 率较低，且在高温、高 湿等恶劣环境下性能不 稳定，影响了其应用范
围。
压电陶瓷的主要类型
根据材料组成和晶体结构，压电陶瓷主要分为以下几类
1. 钙钛矿结构压电陶瓷：如钛酸钡（BaTiO3）和锆钛酸 铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
2. 钨青铜结构压电陶瓷：如铌镁酸铅（Pb（ Mg1/3,Nb2/3）O3）和铅锌酸铅（Pb（Zn1/3,Nb2/3 ）O3）等。
3. 铋层状结构压电陶瓷：如铋镁酸铅（Pb（ Bi1/2,Mg1/2）O3）和铋锌酸铅（Pb（Bi1/2,Zn1/2） O3）等。
表面涂层
通过涂层技术对压电陶瓷 表面进行改性处理，以提 高其耐腐蚀性和机械强度 等性能。
04
压电陶瓷的性能参数及测试方法
压电陶瓷的性能参数及测试方法
• 压电陶瓷是一类具有压电效应的功能陶瓷材料。压电陶瓷的特 性在于其能够将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能 。这种材料在制造传感器、换能器、发电机等方面具有广泛的 应用。
广泛应用于清洗精密零件、光学 元件、电子元件等。
超声波探伤
压电陶瓷作为换能器，将电能 转换为超声波，通过检测反射 回来的超声波判断物体内部的 缺陷。
可用于检测金属、非金属等材 料内部缺陷。
检测结果受物体表面状态、材 料性质、缺陷类型等多种因素 影响。
医学诊断
压电陶瓷制成的超声波探头，可 用于医学诊断，如B超、彩超等
压电陶瓷测量基本知识
压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。
（2）压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图1 所示，C I为同相分量，R I为异相分量，C I与总电流I 的夹角为 ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大，能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷基本知识培训材料
机械品质因数
反映压电陶瓷在振动过程 中能量损耗的大小，影响 压电器件的工作效率。
化学稳定性及耐腐蚀性
化学稳定性
压电陶瓷在常温下具有良 好的化学稳定性，不易与 酸碱等化学物质发生反应。
耐腐蚀性
压电陶瓷能够抵抗一定程 度的腐蚀，但在强酸强碱 等极端环境下可能会受到 损坏。
温度稳定性
在一定温度范围内，压电 陶瓷的性能保持稳定，超 出该范围可能会导致性能 下降。
技术水平
国内压电陶瓷技术水平不断提升，部分产品性能已接近或 达到国际先进水平，但高端产品研发和生产能力仍有差距。
产业链完整性
国内压电陶瓷产业链相对完整，涵盖了原料、生产设备、 产品研发、生产及应用等环节，但部分关键原材料和高端 生产设备仍依赖进口。
政策法规影响因素分析
产业政策
国家出台了一系列支持新材料产业发展的政策，为压电陶瓷产业 提供了良好的政策环境。
换能器领域
压电陶瓷可将电能转换为声能或机 械能，用于制作扬声器、超声换能 器等音频设备，以及超声清洗、超 声焊接等工业应用。
市场需求及前景
市场需求
随着智能化、自动化技术的不断发展，压电陶瓷在传感器、 驱动器等领域的需求不断增长。同时，新能源、环保等领域 的快速发展也为压电陶瓷的应用提供了新的机遇。
成型设备包括压力机、注浆机、流延机等，用于将原料加工成所需形状的坯体。
烧结过程控制要点
温度控制
精确控制烧结温度，避免温度过 高或过低导致陶瓷性能下降。
气氛控制
根据陶瓷材料特性，选择合适的 烧结气氛，如空气、氧气或还原
气氛等。
时间控制
控制烧结时间，确保陶瓷坯体充 分致密化，同时避免过度烧结导
致性能劣化。
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➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 ①有害杂质 对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别
是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。 ②有利杂质 与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导 等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电 压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流 超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称 为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角 正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有 功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质 因数Qe（electrical quality factor）
电学品质因数的值等于损耗角正切值的倒数，用Qe 表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示 交变电场中的压电陶瓷的试样，则
Qe=1/ tanδ=ωCR
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 机电耦合系数Kp
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：
对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声
换能器）的材料来说，希望具有大的压电应变常数d。
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）。
电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：Kq
qa a
Ku Ua a
qa CaUa Kq CaKu
压电陶瓷的基本概念
三 1、自发极化
个 ➢ 120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，
重
Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电
要 荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转
概 变温度称为居里温度或居里点（Tc）。
念
压电陶瓷的基本概念
压电陶瓷的基本概念
➢ 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。
三 ➢ 铁电晶体中存在着自发极 个 Nhomakorabea方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
➢ 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。
压电陶瓷基本概念
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 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。
其中：
N=fr×l
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 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
介电常数ε与压电元件的电容C，电极面积A和电极间距离 t之间的关系为：
ε=C·t/A
ε 有时使用相对介电常数 33 ，它与绝对介电常数ε之间的
ε 关系为
33 t
=ε/εo
t
ε 式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数，
εo=8.85×10-12（F/m），而 33 则无单位，是一个数 t
值。
发展历史
1942 -1949
发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电 常数和铁电性、压电性。后续解决了 极化问题。
50年代
美国日本先后利用BaTiO3压电陶
瓷制作超声换能器、高频换能器、压
力传感器、滤波器等的应用研究。
发展历史
各种规格的压电陶瓷片
整体看来， 晶粒与晶粒的晶 格方向不一定相 同，排列是无规 则的。这样的结 构称其为多晶体。
晶粒的晶格取向示意图
发展历史
居里兄弟首先发现电气石的压电效
1880 应，从此开始了压电学的历史。
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
1881 给出石英相同的正逆压电常数。
压电陶瓷的基本概念
➢ 压电效应的本质
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
Ｅ
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
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应示意图
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
压电陶瓷的基本概念
➢ 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。
压电陶瓷的基本概念
➢ 正压电效应
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
F ma Kq d • m
Ku d • m Ca
结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量m成正比。 增加质量：影响被测体振动状态
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介电常数ε
介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常 用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介 电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求 陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料 的介电常数要小。
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。
压电陶瓷的基本概念
➢压电陶瓷的原理：压电效应
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变， 引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加 激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 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：
D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度
压电陶瓷的制造工艺
➢ 压电陶瓷的制作过程主要步骤
配 料
预 处 理
预 烧
造 粒
成 型
烧 成
测 试
老 化
极 化
上 电 极
机 加 工
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
原料是制备压电陶瓷的基础。对于PZT来说它的主要原 料为Pb3O4、ZrO2、TiO2。选择原料一般应注意其化学 组成和物理状态。 (1) 原料的纯度 对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温 度高，温区窄。纯度稍低的原料，其中有的杂质可起矿 化和助熔的作用，反而使烧结温度降低，温区增宽。但 过低纯度原料杂质较多，不宜采用。
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
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1)(
f
2 a
f
2 r
)
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
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压电陶瓷基本知识
压电陶瓷的基本知识
➢ 发展历史 ➢ 压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电陶瓷的主要性能参数 ➢ 压电陶瓷的制作工艺 ➢ 压电陶瓷的应用 ➢ 市场发展前景与方向
➢压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
三 2、人工极化
个 ➢ 人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并 重 保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使 要 其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处 概 理前后的变化情况。 念