特種陶瓷 課件 6.3 壓電陶瓷（2009.11.13）

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1、6.3壓電陶瓷本章主要內(nèi)容：1相關(guān)概念（1）極化；（2）壓電效應(yīng)；（3）壓電陶瓷。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)；（2）機(jī)械品質(zhì)因素；（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程；（4）機(jī)電耦合系數(shù)。3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）4壓電陶瓷的應(yīng)用5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展1相關(guān)概念（1）極化：是指電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷移動，造成正負(fù)電荷中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極矩。（2）壓電效應(yīng)：在沒有對稱中心的晶體上施加一個機(jī)械力（壓力、張力或切向力）時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，在晶體表面的兩電極上會出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷，電荷

2、多少與力的大小成正比，當(dāng)機(jī)械力撤去后，電荷會消失，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在晶體上施加一個外電場引起極化時，晶體會發(fā)生形變，且形變大小與電場成正比，若撤除電場，則晶體又恢復(fù)原狀，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。（3）壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。人工極化：是指在壓電陶瓷上施加直流強(qiáng)電場進(jìn)行極化，使陶瓷的各個晶粒內(nèi)的自發(fā)極化方向?qū)⑵骄厝∠蛴陔妶龇较?，使之具有近似于單晶的極性，并呈現(xiàn)出明顯的壓電效應(yīng)。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)(elasticcoefficient)彈性常數(shù)是反映材料在彈性形

3、變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量。它服從胡克定律：“在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。”設(shè)應(yīng)力為T，加于截面積為A的壓電陶瓷上（單位：N/m2），其所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)镾（無量綱），則根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間有如下關(guān)系：S=sTT=cS式中s為彈性順度常數(shù)，單位為m2/N；c為彈性勁度常數(shù)，單位為N/m2。（2）機(jī)械品質(zhì)因素(mechanicalqualityfactor)它表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因素越大，能量的損耗越小。（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程壓電陶瓷具有壓電性，即施加應(yīng)力時能產(chǎn)生額外的電荷，其所產(chǎn)生

4、的電荷與施加的應(yīng)力成比例。壓電陶瓷的壓電常數(shù)有壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)、壓電應(yīng)力常數(shù)以及壓電勁度常數(shù)等。反映壓電陶瓷的彈性變量（即應(yīng)力、應(yīng)變）和電學(xué)變量(即電場、電位移)之間的關(guān)系的方程式，稱為壓電方程。（4）機(jī)電耦合系數(shù)(electromechanicalcouplingfactor)機(jī)電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機(jī)械能與電能的耦合效應(yīng)。機(jī)電耦合系數(shù)可定義為：電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躃2=-------------------------K2=--------------------------

5、--輸入電能輸入機(jī)械能3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）典型壓電陶瓷：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛、鈦酸鉛下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷為例介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：配料→球磨→過濾、干燥→預(yù)燒→二次球磨→過濾、干燥→過篩→成型→排塑→燒結(jié)→精修→上電極→燒銀→極化→測試。（1）原料處理原料的純度是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來說，希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的原料，如Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等，若純度低，引入雜質(zhì)總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則純

6、度要求相對低些。以上原料經(jīng)水洗去除一些水溶雜質(zhì)后烘干，然后進(jìn)行煅燒粉碎，通常希望顆粒度在2um以下。（2）預(yù)燒經(jīng)過煅燒粉碎的原料混合配料后要進(jìn)行預(yù)燒，其目的是為了使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行。實驗表明，如果預(yù)燒溫度恰當(dāng)，燒結(jié)溫度可以在很寬的范圍內(nèi)波動，對致密度無顯著影響，預(yù)燒溫度如果偏低，燒成溫度無論如何提高（或延長保溫時間），也不能得到很高的致密度。此外，預(yù)燒溫度和保溫時間比較起來，預(yù)燒溫度所起作用更為重要。預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹（室溫~400℃）、固相反應(yīng)（400~750℃）、收縮（750~850℃）和晶粒生長（800~900℃

7、以上）。（3）成型和排塑簡單形狀的制品通過模壓法成型，不均勻截面的條形制品可以通過擠壓法成型，薄板用流延法和軋膜法成型，大的圓環(huán)和更復(fù)雜的形狀用注漿法成型。成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質(zhì)量比為：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸餾水75%；在90℃下攪拌溶化）。成型后生坯中的粘合劑、水分等加溫排去，稱為排塑或排膠。通常排塑溫度800~850℃，保溫時間1小時左右。（4）燒結(jié)燒結(jié)溫度范圍主要是由化學(xué)組成決定的。低于燒結(jié)范圍，制品的氣孔率高、致密度低，壓電性能也就差。如果超過燒結(jié)范圍的上限，則由于出現(xiàn)過多液相，會發(fā)生粘連，或

8、嚴(yán)重失鉛，也會導(dǎo)致性能下降。此外，燒結(jié)溫度過高會使晶粒過大，機(jī)械強(qiáng)度變差。燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。由于PbO揮發(fā)，破壞了配方的化學(xué)組成，工藝上為了防止PbO揮發(fā)，通常采用密封法、埋入法、加