稀土功能陶瓷材--课件.ppt

第三节 稀土功能陶瓷材料 Functional Ceramics Materials of Rare Earth Contents: 概述 陶器---瓷器（传统陶瓷）(china)---精细陶瓷(fine ceramic)—纳米陶瓷(nano-ceramic) 精细陶瓷：根据主要性能和应用领域的不同，分为工程陶瓷（高温结构陶瓷）和功能陶瓷。 功能陶瓷因其功能多，应用面广，在整个精细陶瓷领域中的市场占80％。日本在精细陶瓷的开发应用方面居世界领先水平。 一、稀土压电陶瓷 Piezoelectric Ceramics 压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。其具有机电耦合系数高、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的优势支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。 1.晶体的压电性 ①.压电效应：一般说来，对晶体施加压力、张力或切向力，该晶体就会发生形变，而对某些晶体施加应力时，还会在此晶体中出现，发射与所受应力成比例的介质极化现象，在晶体两端出现数量相等的正负电荷，这种现象称为正压电效应； 相反，当在晶体上施加电压引起极化时，产生与电场强度成比例的形变或机械应力，这种现象称为逆压电效应 ②.特性 characteristic： 正压电效应产生的电荷量与应力成正比，逆压电效应产生的形变与电压成正比。 (晶体施加一交变电场时，由于逆压电效应，晶体就会产生机械振动。) ③.机电耦合： 在显示压电性的晶体物质中，应力与应变这些弹性量（也称机械量）与电场及电位移（或极化）这些介电量之间通过压电效应相互发生作用，人们就把这种作用称为机电耦合。 压电材料的机械能和电能之间的耦合关系可表示为： ④.机械品质因数Qm： 当对压电陶瓷输入电讯号时，由于逆压电效应而产生机械谐振。压电陶瓷谐振时，要克服内摩擦而消耗能量，造成机械能损失. 定义：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数Qm。 它反映压电体振动时的损耗程度，用公式表示为 C0为元件的静电容，R1为元件谐振时的等效电阻，C1为谐振等效电容，Δf为元件的谐振频率fr与反谐振频率fa之差，Qm是无量纲的物理量。 2.晶体的铁电性 陶瓷材料是通过粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒不规则集合而成的多晶体。 陶瓷体内部晶粒取向是随机的，整体而言，不会出现自极化现象。无压电效应 在铁电陶瓷上施加强直流电场进行极化时，晶粒内的自极化方向将取向电场方向，压电陶瓷就是经过人工极化处理的铁电陶瓷。 3.稀土压电陶瓷 压电陶瓷是典型的钙钛矿型晶体结构，通式为ABO3。是一种复合氧化物结构:A的价态为A2+或A+，B的价态为B4+或B5+，也可以是A3+B3+O3 CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、PbTi1/2Zr1/2O3等。 ①稀土钛酸铅(PT)压电陶瓷 钛酸铅（PbTiO3）是一种典型的压电陶瓷，也是具有钙钛矿型晶体结构的铁电体，Tc＝490℃ 由于钛酸铅陶瓷介电常数小、晶体结构的各向异性大、居里温度高等，它是一种很引人注目而且很有用的材料，它广泛用于制作高温、高频下使用的换能器，用PbTiO3陶瓷可以制作零温度系数的声表面波材料。 对PbTiO3而言，在温度高于490℃时，上述晶胞具有立方对称性(c=a),晶胞内的正负电荷重心重合，不能自发极化；当温度降至490℃以下时，其晶体结构转变为四方对称性从而使晶胞内的正负电荷重心偏移，沿C轴方向产生自发极化。 ABO3型化合物的晶体结构发生变化的温度称为居里温度，在Tc以下，晶胞参数c和a随温度而变化，且c/a随温度的降低而增大。 ②稀土锆钛酸铅压电陶瓷 在锆钛酸铅陶瓷中掺入稀土氧化物，即可获得性能更为优异的稀土锆钛酸铅压电陶瓷。 锆钛酸铅（PZT）是钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)的无限固溶体。 在锆钛酸铅固溶体中，由于Ti4+的离子半径与Zr4+的离子半径相近，且两种离子的化学性能相似,因此PbTiO3和PbZrO3能以任何比例形成连续固溶体。 为了改善PZT陶瓷的烧结性能并获得所需的电学性能和压电性能，必须对其进行改性处理，掺入La，Ce，Sm的氧化物为添加物就是一种常用的改性方法。 掺入后实际上是取代二价Pb2+，使陶瓷的电物理特性发生了一系列变化，其电畴容易转向，矫顽场强Ec降低，体积电阻率增加，压电活性提高，介电常数和介电损耗均增大，机械品质因数降低，是材料“变软”。 0.01La2O3+Pb(Zr,Ti)O3→Pb0.97La0.02[铅缺位]0.01(Zr,Ti)