压电陶瓷.ppt
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1、1 压电陶瓷2 透明电光陶瓷,压电陶瓷,1-1 压电材料概述1-2 压电陶瓷的主要参数1-3 铅基压电陶瓷1-4 无铅压电陶瓷,1 压电陶瓷,重点掌握的几个概念:压电效应 预极化 准同型相界 软性取代 硬性取代,1 压电陶瓷,1-1 压电材料概述,正压电效应:在没有对称中心的晶体上施加机械作用时,发生与机械应力成比例的介质极化,同时在晶体的两端面出现正负电荷。逆压电效应:当在晶体上施加电场时,则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。正、逆压电效应统称为压电效应。晶体的这种性质称为晶体的压电性。,1 压电陶瓷,具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料能实现机电能量的相互转换。,1-1 压电陶瓷,
2、压电效应的可逆性,1-1 压电陶瓷,在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。,1-1 压电陶瓷,7-1 压电陶瓷,(a)晶体外形;(b)切割方向;(c)晶片,石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。,7-1 压电陶瓷,石英晶体压电模型(a)不受力时;(b)x轴方向受力;(c)y轴方向受力,当外力F=0时,压电陶瓷表面存在一层表面电荷,其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等,符号与束缚电荷相反,因而晶体对外不显示电性。,7-1 压电陶瓷,在外力F的作用下,压电陶瓷产生形变,晶体的极化强度发生变化,因而表面束缚
3、电荷变化,晶体对外显示电性压电效应。,在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同,则晶体的极化加强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化方向缩短;若加上交变电场,则晶体产生振动。,晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。所有铁电单晶都具有压电效应。对于铁电陶瓷来说,虽然各晶粒都有较强的压电效应,但由于晶粒和电畴分布无一定规则,各方向几率相同,使P=0,因而不显示压电效应,故必须经过人工预极化处理,使P 0,才能对外显示压电效应。陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性,所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。,7-1 压电陶瓷,陶瓷的预极化示意图,7-1 压电陶瓷,
4、压电材料分类:压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料,7-1 压电陶瓷,应用举例:水声技术:水声换能器超声技术:超声清洗、超声乳化、超声分散高电压发生装置:压电点火器、引燃引爆、压电变压器电声设备:麦克风、扬声器、压电耳机传感器:压电地震仪压电驱动器。,7-1 压电陶瓷,压电陶瓷的晶体结构:1.钙钛矿结构2.钨青铜型结构3.铌酸锂型结构4.铋层状结构,7-1 压电陶瓷,1.钙钛矿结构,ABO3:A:1,2,3Na,K,Ba2+,La3+B:5,4,3Nb5+,Ti4+,Fe3+,7-1 压电陶瓷,2.钨青铜型结构,BO6氧八面体以顶角相连构成骨架。B离子为Nb、Ta、W等。BO6骨架间存在三种
5、空隙:A1(较大)、A2(最大)、C(最小)氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为B1和B2 填满型与非填满型。,钨青铜结构在(001)面上的投影,7-1 压电陶瓷,3.铌酸锂型结构,顺电相,铁电相,7-1 压电陶瓷,氧八面体以共面形式重叠 Li位于氧八面体的公共面 Nb位于氧八面体中心 极化时,Li,Nb偏离中心位置,沿c轴出现电偶极矩,4.铋层状结构,Bi4Ti3O12,7-1 压电陶瓷,1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料,可用介电系数,介电损耗tg,绝缘电阻率和抗电强度Eb等表征。作为压电材料,还必须补充一些参数:压电系数d、g 机电耦合系数k 机械品质因素Q 频率系数N,7-1
6、 压电陶瓷,压电系数d:单位机械应力T所产生的极化强度P(C/N)或:单位电场强度V/x所产生的应变x/x(m/V)常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33(脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向;第二位数字表示机械振动方向)。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31、d33和 d15。,反映应力(应变)和电场(电位移)间的关系,7-1 压电陶瓷,压电电压系数g:单位应力T所产生的电场强度E;或单位电荷所产生的形变。(Vm/N)d和g实质上是相同的,只是在不同的角度反映了材料的压电性能,d用得较为普遍,g常用于接收型换能器、拾音器,高压发生器等场合。,7-1 压电陶瓷,机电耦合系数k 或
7、Kp是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。它与材料的压电系数、和弹性常数等有关,是一个比较综合的参数。机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率,由于转换不可能完全,总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播,因而K总是小于1的。,7-1 压电陶瓷,不同材料的k值不同;同种材料由于振动方式不同,k值也不同。常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33、以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp(或称径向机电耦合系数kr)。,7-1 压电陶瓷,7-1 压电陶瓷,Z,极化方向,振动方向,柱状振子K33(纵向机电耦合系数),Z,振动方向,Y,条状振子K31(横向耦机电合
8、系数),X,极化方向,Z,极化方向,圆片振子Kp(平面机电耦合系数)Kr(径向机电耦合系数),机械品质因素Qm,7-1 压电陶瓷,逆压电效应使压电材料产生形变,形变又会产生电信号,如果压电元件上加上交流信号,当交流电信号的频率与元件(振子)的固有振动频率fT相等时,便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦,而损耗一部分能量(转换成热能)。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入Qm这个参数,Qm越高,能量的损耗就越小。Qm 的大小以与相应的谐振方式有关,无特别说明时表示平面(或径向)振动的机械品质因素。在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中,要求高的Qm值。,7-1 压电陶瓷,频率系数N:压电振子的谐
9、振频率f0与振动方向上线度的乘积。,只与材料性质相关,而与尺寸因素无关。,7-1 压电陶瓷,铁电单晶固然具有较高的压电效应,但单晶工艺复杂,不易加工成各种形状,因而不易大量生产,成本也很高。铁电陶瓷则易加工生产,成本低,且能根据不同的用途对性能的要求采用掺杂改性。缺点:存在粒界,气孔及其它缺陷,均匀性及机械强度不够理想,电损耗较大,妨碍了压电陶瓷在高频率中的使用。,7-1 压电陶瓷,1-3 铅基压电陶瓷,1.单元系2.二元系3.三元系,7-1 压电陶瓷,单元系,PbTiO3钙钛矿结构铁电体,Tc高,490。各向异性大(c/a1.063),晶界能高,难以制备致密、机械强度高的陶瓷。矫顽场强较大,
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