6.3 压电陶瓷(2009.11.13)教学教材.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。 （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。 成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化）。 成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。通常排塑温度800~850℃，保温时间1小时左右。 （4）烧结 烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。 烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。 （5）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成