高温压电讲座浅析.ppt

高温压电材料 Contents 1. 压电效应（Piezoelectric Effect） 发现者 1880年，李普曼（Lippmann）教授在研究热力学原理时提出了晶体具有压电效应的理论 同年，他的学生居里兄弟通过对电气石的实验，证实了压电效应的存在 1881年，居里兄弟还通过实验验证了逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数 所以，一般都认为压电效应是居里兄弟发现的 2. 压电材料 压电材料的应用 构成滤波器、换能器、压电驱动器、压电变压器、压电式压力传感器、压电式加速度传感器、超声波传感器、鉴频器、压电振荡器、红外探测器等电子元器件的重要材料 被广泛应用于航空航天、能源、汽车、通信、家电、地质勘探和计算机等诸多领域 压电材料的工作温度 压电材料的工作温度 = Tc/2以下 民用电子产品的使用温度通常在75℃以下 一些军工电子产品的使用温度在125℃附近 部分压电材料的物理性能 原有压电材料简评 PZT压电陶瓷材料应用最广泛，实用PZT压电陶瓷居里温度在300℃左右 PbTiO3居里温度490℃，难以极化 LiNbO3居里温度1210℃，制备困难，压电活性低 钨青铜结构 PbNb2O6居里温度570℃ ，制备困难 铋层状结构 CaBi4Ti4O15 居里温度Tc = 790℃，难以极化，压电活性低 业界对高温压电材料的需求 地质勘探、石油开采 航空航天 核工业 汽车工业 高温环境对压电材料的要求 3. 高温压电材料 (1?x)BiScO3-xPbTiO3压电陶瓷 1969年Tomashpol’skii等通过高压方法合成钙钛矿结构的BiScO3 2001年，Eitel等将PbTiO3掺入到BiScO3中，在常压下合成钙钛矿型结构的(1?x)BiScO3-xPbTiO3 陶瓷 BSPT是目前唯一居里温度比PZT高、且压电性能同PZT陶瓷相当的压电材料 (1?x)BS?xPT陶瓷的压电性能 BSPT为钙钛矿结构 (1?x)BiScO3-xPbTiO3体系二元相图 BSPT存在的问题 改性研究的全面、透彻程度还不如PZT压电陶瓷 如何提高PT含量BSPT的压电活性 业界对更高居里温度压电陶瓷体系的需求 其它Bi(Me)O3-PbTiO3类压电陶瓷 BiFeO3-PbTiO3体系（632℃，不能极化） BiGaO3-PbTiO3体系（485℃，不能极化） Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3体系（700℃，不能极化） 0.20BiInO3-0.80PbTiO3（590℃，不能极化） 铌掺杂BIPT80陶瓷的电学性能 4. 研究展望 影响Bi(Me)O3-PbTiO3系列陶瓷钙钛矿结构稳定性的热力学和动力学因素 从材料物理与化学特性出发，比较准确的预知新Bi(Me)O3-PbTiO3体系压电陶瓷MPB的位置以及MPB处的Tc 对于Tc比BSPT更高的BiFeO3-PbTiO3、BiInO3-PbTiO3等体系，如何在尽量保持其高Tc的情况下改善其压电性能 对于BSPT陶瓷来说，如何在保持其高的压电活性基础上进一步提高Tc Southwestern University 压电效应 1 压电材料 2 高温压电材料 3 4 研究展望 正压电效应：某些电介质在机械应力作用下，产生形变，极化状态发生变化，致使表面带电，表面电荷密度与应力成正比 逆压电效应：反之，施加外电场，介质内产生机械形变，应变与电场强度成正比 压电单晶 压电陶瓷 压电薄膜 压电聚合物 压电复合物 压电材料分类： 1300 - 0.45 68 56 490 PbTiO3 105 NR - 2(d11) 573 SiO2 NR 0.6 0.23 69 6 1210 LiNbO3 100 - 0.15 - 18 ~600 (Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15 15 - 0.3 100 85 400 (BaPb)Nb2O6 240 - 0.4 - 70 315 (Bi0.5Na0.5)TiO3 75 0.77 0.73 710 417 330 软PZT Qm k15 k33 d15 d33(PC/N) Tc(oC) 高的居里温度Tc（工作温度200℃以上） 优良的压电性能 压电材料介电常数、压电常数与居里温度的关系 高温压电灵敏器件要求 0.43 260 1370 460 四方 x=0.66 0.56 460 2010 450 MPB x=0.64 0.49 290 900 440 三方 x=0.62 kP d33(pC/N) εT33 Tc(℃) 结构 含量 AXII BVI OVI 20×106 0.40 0.07 30 531 0.011 270 BIPT80-3%Nb 23×106 0.28 0.1 36 550 0.016 255 BIPT80-2%