铁电陶瓷

(3) 薄膜材料制备工艺。
（三）透明铁电陶瓷
一、透明铁电陶瓷的组成和相图
由于气孔相、晶界和杂质相的散射，一般多晶体陶瓷是不透 明的，通过适当的工艺，可以控制其显微结构和晶界性质，使
之成为透明陶瓷，一般 Al2O3 、 Y2O3 、 MgO、 BeO、 ThO等都
可制成透明陶瓷。 PLZT 既有透明性，又有铁电和压电性，其光学性质与铁电
•压电陶瓷超声波焊接
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。
压电喇叭应用实例
N506i V501T
•压电陶瓷超声清洗
•压电陶瓷探伤仪
•压电陶瓷测厚仪
•压电陶瓷加湿器
压电陶瓷变压器雷 达显示器高压电源
压电变压器电警棍
•压电陶瓷喷墨打印
的电场时，那些取向和电场方向一致的畴生长变大，而
其它方向的畴收缩变小，随后产生净极化强度。
铁电陶瓷与其它的电介质陶瓷不同，它的极化强度 不与施加电场成线性关系，并具有明显的滞后效应。
饱和极化强度Ps
剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec
饱和电场强度Esat
铁电体的电滞回线
主要内容
一、 压电陶瓷
二、 热释电陶瓷
•压电陶瓷内部结构（电畴形成）
由于压电陶瓷极化后具有压电性，因此，构成陶瓷
的晶体必须是铁电体。铁电体从顺电相转变为铁电 相时具有自发极化，自发极化方向一致的区域成为 电畤。铁电畴之间的界面称为电畤壁。两电畤平行 排列的边界称为180°畴壁，两电畤互相垂直的边界
称为90°畴壁。
相邻两个畴中自发极化方向只能成90°角或180°角， 相应电畴交界面就分别称为90°畴壁和180°畴壁。
K2
通过正压电效应转换所 得的电能 转换时输入的总机械能
通过逆压电效应转换所 得的机械能 转换时输入的总电能
K2
机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，由于 转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损 失或向周围介质传播，因而k总是小于1的。
三 压电陶瓷的生产工艺
压电陶瓷生产的主要工艺流程： 配料 → 球磨 →过滤、干燥 →预烧 → 二次球磨 →过滤、干燥→ 过筛→ 成型→ 排塑 → 烧结

4、电控可见光散射 透明铁电陶瓷的电畤具有“电控特性”，即使在25µm ×
25µm 这样一个小区域也可以单独地极化或反转，而不影
响其周围区域的状态。当电场撤除后，小区域保持其剩余 极化，当加足够大电场时，又可变回至原态。电畤状态的 这种变化，伴随着透明铁电陶瓷的光学性质的改变。所以 ，光学性质的变化也是可控的。对于粗晶粒的透明铁电陶
性晶体。在这些极性晶体中，因外部电场作用而改变自发
极化方向的晶体称为铁电晶体。

陶瓷材料是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微
晶不规则集合多晶体。由于陶瓷体内部的晶粒随机取向，
因而整个陶瓷体内部的自发极化也是随机取向的，整体上 不显示压电效应。要使铁电陶瓷具有压电性，必须作人工 极化处理。

人工极化过程：在压电陶瓷上施加直流强电场。
④
上电极 排塑后的生坯重新装炉烧结。烧成的陶瓷经精修、研磨、
清洁后，就可以被覆上电极。被覆电极一般采用涂布银浆烘
干，然后装炉，加热到 750℃，保温 10--20 分钟，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。 也可采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被电极。 ⑤ 影响烧结的因素
影响烧结的因素很多，首先是配方的化学组成，当配方
这种火焰探测系统，可监视200平方米区域内的火情，警
戒距离为20m。用该光谱的检测方法监测大气污染和测定某些 特种气体的含量，只需配置与该气体的特片吸收峰相对应的窄 带滤光片。
火焰探测器
（3）非接触测温 有两种场合需要选用非接触法测温：一是不能接触的运动部 件或极高温的熔体，另一种是小面积的辐射源，热释电红外 探测器通常用于-60-100℃的温度范围。 （4）红外热像仪 景物的红外辐射经透镜成像在靶面上，由于温度分布而产生 靶面上的电荷分布，在靶的背面用扫描电子束读出。采用光 机方法对景物作二维扫描，单元热释电探测器接收热辐射， 经放大把热像显示在示波管上，这种热像仪特别适用于室内 工作，通常作为临床医学的最新诊断手段之一。热像技术已 广泛应用于航空、遥感、无损探伤、临床医学以及节能技术
应用领域 压电变压器 标准信号源 信号转换 信号处理 传感与计测
举例 雷达、电视显像管，阴极射线管，激光 管等 振荡器，压电音叉 扬声器、蜂鸣器，超声换能器，超声切 割 滤波器，放大器，表面波导 加速度计，压力计，红外探测器，位移 发生器
储存显示
其他
光信息存储器，声控开关
压电继电器等
压电陶瓷应用
性密切相关（掺镧钛锆酸铅（PLZT））
PLZT透明陶瓷是一种重要的电光陶瓷
二、透明铁电陶瓷的电光特性和应用
1、电光效应
设外加偏置电场为E0，则晶体的折射率将随着E0的改变而变化， 这种由于外电场引起的晶体折射率的变化称为光电效应。 2、光弹性效应 通常，介电常数和折射率不仅和外电场有关，而且和应力也有
钙钛矿型的晶胞结构
•压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）
BT中自发极化产生示意图
这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身
产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里 温度。
2、压电陶瓷的性能
（1）弹性常数
弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的
物理量。

弹性常数服从胡克定律：在弹性限度范围内，应力与应变 成正比。即 S= sT T = cS s—弹性顺度常数m2/N
四方相晶体
90°畴壁和 180畴示意图
•压电陶瓷内部结构（电畴的运动）
电畴在外电场作用下的运动
a）极化前 （b）极化过程（c）极化后 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图
从晶体结构来看，属于钙钛矿型、钨青铜型、焦 绿石型、含铋层结构的陶瓷具有压电性。但目前应用 最广的压电陶瓷都属于钙钛矿型晶胞结构（ABO3）。
性减少了热滞，使它显示了良好的热释电性能，已制成 了单个探测器和矩阵，在红外探测和热成像系统中得到
应用。
热释电红外检测元件
热释电探测器的应用实例： （1）入侵报警
热释电红外探测器的最大使用方向是用作红外入侵报警系统的
人体热辐射传感器。 为了提高系统的性能，一般采用多面反射镜光学系统，探测器 放在共同的焦点上，通过探测器的像点会产生一列交变信号， 频率范围在0.1-10Hz之间，一般可探测15米以内移动的人体。 用来探测人体最多的是门自动开关、入侵者报警器、来客报信 机、自动售货机等。
第二章 铁电陶瓷
铁电效应：某些电介质可自发极化，在外电 场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电 效应。具有这种性能的陶瓷称铁电陶瓷。
铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里 温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其 电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常 现象。
铁电陶瓷中所含有的永久偶极子彼此相互作用，结 果形成许多电畴。在一个电 畤 范围内，偶极子取向均相 同；对不同的电 畤 ，偶极子则有不同的取向。因此，在 无电场存在时，整个晶体没有净偶极矩，但在施加足够
热释电材料发展中存在的问题以及展望
从发现热释电效应至今, 非制冷红外探测器用热释 电材料已经得到了较为广泛的研究, 研发人员通过各种
途径来制备性能优良的热释电材料, 并取得了重要的进
展。从应用的角度看, 目前存在的主要问题为:
1) 材料的综合电性能。如何提高介电常数，减 低介电损耗和漏电流，提高热释电系数等。 (2) 陶瓷的可加工性。
等方面，具有室温工作、价格低廉的特点。
直立式红外热像仪
德国德图Testo红外 热像仪
广 州 飒 特 有 限 公 司 生 产
三、几种典型的热释电陶瓷 1 PbTiO3陶瓷。 热释电系数随温度变化很小，可作稳定的红外探测 器PZT。
2 PZT系陶瓷
PZT（ PbZr1-xTixO3）广泛地用作压电材料。利用 PbZr1-xTixO3在x=0.1附近的复杂相变，可制得性能较好的 热释电原件。
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)。
→ 精修 → 上电极 →烧银 → 极化→ 测试
① 原料处理 首先，根据化学反应式配料。所用的原料大多数是金属 氧化物，少数也可用碳酸盐。为使生成压电陶瓷的化学反应 顺利进行，要求原料细度一般不超过 2m（平均直径）。提
高原料纯度，有利于提高产品质量。
② 预烧中的反应过程
预烧过程一般需经过四个阶段：
防盗红外探测器
卷闸门报警器
香港无间盗集团有限公司产
红外探测器用于工业设备检测和监控、疾病早期诊断与医 疗监控、消防和海上救援用头盔夜视仪、高速公路和银行夜
间安全监视、森林火灾预警、仓库和重要物资的夜间监控与
保卫、执法辑毒和生活小区防范等领域。
（2）火焰探测 火焰探测器常用于可能出现明火的场合，如石油平台、储 油罐等，并已开始用于自动灭火系统。使用中的主要问题是区 分火焰和外界的光学干扰（如太阳光和白炽灯的反射光）。
线性膨胀（室温--400℃），固相反应（400--750℃）， 收缩（750--850℃），和晶粒生长（800--900℃以下）。 ③ 成型和排塑 原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。再经一次粉碎，
便可成型。成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压
等方式。成型后生坯进行排塑，将粘合剂、水分等加温排去。
关。由机械力而引起的折射率的变化，称为光弹性效应或压光
效应。

3、双折射
双折射率则是当普通光线进入各向异性物质内（如方解石、
棉纤维、人造纤维等），除在表面有反射光之外，进入各向
异物质的光线会变为两条光线，一条光线遵守折射定律，称
为寻常光线，简称O光；另一条光线并不按照折射定律的角
度而折射，称为非寻常光线，简称E光。这种现象即称为双 折射。这两条光线的折射率之差，就称为双折射率。
c—弹性劲度常数N/m2
(2) 机械品质因数： 机械品质因数也是衡量压电陶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ材料的一个重要参数。
它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品
质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩 擦。 (3) 压电性、压电常数与压电方程： (4) 机电耦合系数K ： 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械 能与电能的耦合效应。
金属片 压电陶瓷 换能器 圆锥形容器 内液层 外墨水池
喷嘴 金属膜
输入信号
墨水
压电致动器用于相机镜头
（二）热释电陶瓷
定义
热释电效应是指当某些晶体受到温度变化时，由于
自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电 荷的现象。
热释电材料的应用
热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅
（ Pb （ Zr,Ti ） O3 ）铁电－顺电相变陶瓷材料，由于改
强度成比例的变形或机械应力。
正、逆效应统称为压电效应。
压电效应

正压电效应

逆压电效应

压电效应的呈现与否，是由构成晶体的原子和离子的排列 方式即晶体的对称性决定的。

晶体按对称性分为32个晶族，其中有对称中心的11个晶族
不呈现压电效应，而无对称中心的21个晶族中的10个呈现 压电效应。

属于这种压电性晶体中的10个晶族的晶体具有自发极化， 有时称为极性晶体，又因受热产生电荷，有时又称为热电
三、 四、 透明铁电陶瓷 铁电电容器陶瓷
（一） 压电陶瓷
一、结构与性能
1、钙钛矿型压电陶瓷的结构 压电陶瓷定义：具有压电效应的功能陶瓷。 正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加压力、张力、 切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，且在晶体两 端出现正、负电荷；
逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，产生与电场
组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。
⑥
极化 压电陶瓷必须经过极化后才有压电性。极化就是在
直流电场作用下使电畴沿电场方向取向。
四 压电陶瓷的应用
目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，但仍可大致分为两 大类： 压电振子 主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹 性等性能稳定，机械品质因数高。 压电换能器 主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式，要求机 电耦合系数和品质因数高。 典型的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅等。