压电陶瓷

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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
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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。
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高压发生器
• 煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制 成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷 就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。 所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长， 例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次 以上。
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压电 原理
特性
物质 组成
制备 工艺
应用
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 中添加第三种型化合物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） • 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·Sr1x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，有利于环境保护。
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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
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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。
压电陶瓷
什么是压电陶瓷？
• 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能 陶瓷材料-压电效应, 压电陶瓷除具有压电性外, 还具有 介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、 声换能器、超声马达等。 • 压电陶瓷利用其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 相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。
目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进 行但效率较低，高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘 合剂。
目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。
将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。
在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧 渗、化学沉积和真空镀膜。
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其他运用
• • • • • • • 高压变压器、高压电源 微移控制 键盘、压电陶瓷按键 延迟线 模拟记忆 探伤仪 小型电动机
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~ The End ~
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压电陶瓷的物理特性
• 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在 电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片 施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加 以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现 象属于正压电效应。 • 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场 的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外 电场时压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变 形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增 强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向 伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。 这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。
谐振器、滤波器
• 谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的 关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率 稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸 潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性， 使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。
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超声波换能器、发生器
使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。
陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能 要求。
条件
• 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。 • 一般极化电场为3～5kV/mm； • 温度100～150°C； • 时间5～20min。 • 这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的 压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数 可高达0.313～0.694。
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其他特性
• 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号， 可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷 对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰 动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的 方位和距离。 • 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。 • 压电陶瓷还具有铁电性、热学性质、光学性质、磁学性质和耦合性质。
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压电原理
• 在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生 形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加 声频交变电压信号，它也会产生形变，同时发出声响。 • 归纳这些类似现象，可得到正逆压电效应的概念，即： • 压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应； 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。
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压电陶瓷的压电特性
• 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。在外力不太大的情况下, 其电荷密度 与外力成正比, 遵循公式： • 其中,δ 为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。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 心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种 效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性 关系, 遵循公式： • dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。 压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合 程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式: • 其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。
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介电性 质及力 学性质
压电陶 瓷的压 电特性
特性
压电陶 瓷的物 理特性
其他 特性
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介电性质及力学性质
• 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。在外电场不太大时, 电介质对电 场的响应可用线性关系： • 其中P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加 电场。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。 • 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: X=cx, 式中c叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。 对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界 条件有关。
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压电原理
• 而这种性质又与其内部结构决定的，压电陶瓷是由一颗颗 小晶粒无规则镶嵌而成，如图：
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压电原理
• 每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格可看 为一粒小单晶，
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压电原理
• 每个小晶粒内部还具有铁电畴组织
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压电原理
• 压电陶瓷中自发极化一致的区域就称为电畴或铁电畴。 • 当T<Tc居里温度时，压电陶瓷不但存在自发极化，而且自 发极化方向还可因外电场作用而转向。这种特性称为铁电 性。所以压电陶瓷又称为铁电陶瓷，或称为铁电多晶体。 • 所以压电陶瓷的压电原理在于：压电陶瓷内部存在自发极 化和铁电畴；通过外界作用（施加力或电场）改变其极化 状态（含畴状态），实现能量转换而表现出压电效应。
• 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。
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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。