压电陶瓷基本知识

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压电陶瓷的基本概念
三 个 重 要 概 念 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）。
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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。
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压电陶瓷基本知识
压电陶瓷的基本知识
wenku.baidu.com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
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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。
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m
f a2 Qm 2f r R(C0 C1 )( f a2 f r2 )
其中：
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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
压电陶瓷的主要性能参数
3、铁电陶瓷
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.
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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
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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：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。
Kq 电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：
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qa a
Ku
Ua a
qa CaUa Kq CaKu F m a 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
D= dT
式中d单位为库仑/牛顿（C/ N）
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这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电 场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀为 收缩取决于样品的极化方向。
S= dE
式中，d的单位为米/伏（m/v）。
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）。
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。
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压电陶瓷的基本概念
压电效应的本质
F
－－－－－ － ＋＋＋＋＋ －－－－－－
Ｅ
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
(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
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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。
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

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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。 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。
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。
压电陶瓷基本概念
三 个 重 要 概 念
2、人工极化
人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并 保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使 其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处 理前后的变化情况。
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压电陶瓷的基本概念
三 个 重 要 概 念
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
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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： 谐振时振子储存的机械 能 Q 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
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。
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薄圆片径向振动
Np=fr×D
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
Nt=fr×t
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ε
ε
ε
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
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。
各种规格的压电陶瓷片 晶粒的晶格取向示意图
发展历史
1880
居里兄弟首先发现电气石的压电效
应，从此开始了压电学的历史。
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1881
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
给出石英相同的正逆压电常数。
N33=fr×l N15=fr×lt
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
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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。
1954
后来
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迄今
压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下 至家庭生活极其广泛。
压电陶瓷的基本概念
三 个 重 要 概 念
1、自发极化
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，结果导致正负电 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）。
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。 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 有时使用相对介电常数 33 ，它与绝对介电常数ε之间的 t 33 关系为 t =ε/εo 式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数， 33 εo=8.85×10-12（F/m），而 t 则无单位，是一个数 值。
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压电陶瓷的主要性能参数
压电常数d 介电常数ε 介质损耗tanδ 机电耦合系数Kp 机械品质因数Qm
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频率常数N
压电陶瓷的主要性能参数
压电常数d
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。其数值的 大小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化 方向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以 下关系式：
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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：
K2
或
2
通过逆压电效应转换所 得的机械能 转换时输入的总电能
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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 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）；
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磷 压 铜 电 片 振 子
压 电 振 子
外 壳
叩 击 机 构
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
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压电蜂鸣器工作示意图
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。
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
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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
美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅 (PZT)具有非常强和稳定的压电性， 促使压电器件的应用研究又大大地向 前推进了一大步。 为了保护地球和人类的生存空间，防 止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未 来研究和应用的方向。
逆压电效应示意图
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
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电 场 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。
压电陶瓷的基本概念
正压电效应
气体喷嘴 高 压 引 线