[材料科学]63 压电陶瓷20091113.ppt

6.3 压电陶瓷 本章主要内容： 1 相关概念 （1）极化；（2）压电效应；（3）压电陶瓷。 2 压电陶瓷的性能参数 （1）弹性常数；（2）机械品质因素； （3）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦合系数。 3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例） 4 压电陶瓷的应用 5 压电超声换能器的应用与发展 1 相关概念 （1）极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。 （2）压电效应：在没有对称中心的晶体上施加一个机械力（压力、张力或切向力）时，则发生与应力成比例的介质极化，在晶体表面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去后，电荷会消失，这种现象称为正压电效应。当在晶体上施加一个外电场引起极化时，晶体会发生形变，且形变大小与电场成正比，若撤除电场，则晶体又恢复原状，这一现象称为逆压电效应。正、逆效应统称为压电效应。 （3）压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。 人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。 2 压电陶瓷的性能参数 （1）弹性常数(elastic coefficient) 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。 它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比。”设应力为T，加于截面积为A的压电陶瓷上（单位：N/m2），其所产生的应变为S（无量纲），则根据胡克定律，应力与应变之间有如下关系： S=sT T=cS 式中s为弹性顺度常数，单位为m2 / N ；c为弹性劲度常数，单位为N/m2。 （2）机械品质因素(mechanical quality factor) 它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因素越大，能量的损耗越小。 （3）压电性、压电常数与压电方程 压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷，其所产生的电荷与施加的应力成比例。 压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、压电应力常数以及压电劲度常数等。 反映压电陶瓷的弹性变量（即应力、应变）和电学变量 (即电场、电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。 （4）机电耦合系数(electromechanical coupling factor) 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。 机电耦合系数可定义为： 电能转变为机械能 机械能转变为电能 K2 = ------------------------- K2 = ---------------------------- 输入电能 输入机械能 3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例） 典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅 下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。 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→精修→上电极→烧银→极化→测试。 （1） 原料处理 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则纯度要求相对低些。 以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。 （2）预烧 经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的是为了使化学反应充分进行。 实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。 预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温~400℃ ）、固相反应（400~750℃ ）、收缩（750~850℃ ）和晶粒生长（800~900℃ 以上）。 （3）成型和排塑 简单形状的制品通过模压法成型，不均匀截面的条形制品可以通过挤压法成型，薄板用流延法和轧膜法成型，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型。 成型之前需加入粘