电工材料及应用(续二).pptVIP

电工材料及应用(续二) 电致伸缩效应 电致伸缩效应——电介质的电极化会引起内应力从而发生形变，内应力与外电场的平方成正比的二阶效应。 任何电介质都存在电致伸缩效应，但除钛酸钡、锆钛酸铅及一些驰豫型铁电体之类的晶态材料之外，一般的电致伸缩效应都很小。 该效应可用于制精密的微小位移调制器 钛酸钡：由于它的机电耦合系数较高，化学性质稳定，有较大的工作温度范围因而应用广泛。早在40年代末已在拾音器、换能器、滤波器等方面得到应用。 锆酸铅：为反铁电体，具有双电滞回线。居里温度230℃，居里点以下为斜方晶系。PbTiO3和PbZrO3的固溶体陶瓷具有优良的压电性能。 钛酸铅：结构与钛酸钡相类似，其居里温度为495℃，居里温度下为四方晶系，其压电性能较低。纯钛酸铅陶瓷很难烧结，当冷却通过居里点时，就会碎裂成为粉末，因此目前测量只能用不纯的样品。少量添加物可抑制开裂，例如含Nb+54％（原子）的材料，d33可达40×10-12C／N。 锆钛酸铅（PZT）：为二元系压电陶瓷，Pb（Ti，Zr）O3压电陶瓷在四方晶相（富钛边）和菱形晶相（富锆一边）的相界附近，其耦合系数和介电常数是最高的。这是因为在相界附近极化时更容易重新取向。相界大约在Pb（Ti0.465，Zr0.535）O3的地方，其机电耦合系数k33可到0.6，d33可到200×10-12C／N。 在PZT中添加某些元素，可达到改性的目的，比如添加物La，Nd，Bi，Nb等，属“软性”添加物，可使陶瓷弹性柔顺常数增高，矫顽场降低入，增大；添加物Fe，Co，Mn，Ni等“硬性”添加物，可使陶瓷性能向“硬”的方面变化，即矫顽场增大，kp下降，同时介质损耗降低。 为了进一步改性，在PZT陶瓷中掺入铌镁酸铅制成三元系压电陶瓷（简称PCM），具有可以广泛调节压电性能的特点。 2、钨青铜结构 具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10个BO6八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。 偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。 3、铋层状结构 铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与{Bi2O12}层交替叠成的。其中类钙钛矿层可以是一层{如Bi2WO6},二层{如PbBi2Nb3O9}，三层{如Bi4Ti8O12}以至五层。在类钙钛矿层中，其正离子可被许多离子取代。 4、焦绿石结构 焦绿石结构是由共同顶角的{NbO6或TaO6}氧八面体组成，而较大的Cd2+{或Pb2+}离子位于氧八面体之间的间隙中。这种结构的铁电体仅出现在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限几种化合物中。 压电陶瓷的预极化: 自然界中虽然具有压电效应的压电晶体很多，但是成为陶瓷材料以后，往往不呈现出压电性能，这是因为陶瓷是一种多晶体，由于其中各细小晶体的紊乱取向，因而各晶粒间压电效应会互相抵消，宏观不呈现压电效应。 铁电陶瓷中虽存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向杂乱，因此宏观无极性。若将铁电陶瓷预先经强直流电场作用，使各晶粒的自发极化方向都择优取向成为有规则的排列（这一过程称为人工极化），当直流电场去除后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度，则陶瓷材料宏观具有极性，也就具有了压电性能。因此铁电陶瓷经过预先极化处理，就会具有压电性。 影响极化效果的因素：极化电场，极化温度，极化时间 极化电场是极化诸条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。以锆钛酸铅为例，在四方相区，其矫顽场随锆钛比的减小而变大。 在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。常用压电陶瓷材料的极化温度通常取320一420K。 极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。极化初期主要是180°电畴的反转，以后的变化是90°电畴的转向。90°电畴转向由于内应力的阻碍而较难进行，因而适当延长极化时间，可提高极化程度，一般极化时间从几分钟到几十分钟。 用于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等； 用于水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等； 用于雷达中的陶瓷表面波器件； 用于导航中的压电加速度计和压电陀螺等； 用于通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等； 用于精密测量中的陶瓷压力计、压电流量计、压电厚度计等； 用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器； 用于超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器； 用于高压电源的陶瓷变压器。 压电材料的应用： 压电驱动器 当把电能输入到压电驱动器时，可由材料直接转变为位移或其它机械能形式。自然，驱动器的材料还包括磁致伸缩材料，光致伸缩材料以及形状记忆合金等。但是由于压电陶瓷和铁电材料作用力大，响应快，频率范围广等多项优点而广泛应用于精确定位系统。 ??? 利用