第六章壓電材料與應用ppt課件

1、第六章第六章 壓電材料與應用壓電材料與應用第六章 壓電陶瓷材料及應用一、概述 在1880年，居里兄弟首先在單晶上發(fā)現(xiàn)壓電效應。 在1940年前，人們知道有兩類鐵電體：羅息鹽和磷酸二氫鉀鹽，具有壓電性。 在1940年后，發(fā)現(xiàn)了BaTiO3是一種鐵電體，具有強的壓電效應。是壓電材料發(fā)展的一個飛躍。 在1950年后，發(fā)現(xiàn)了壓電PZT體系，具有非常強和穩(wěn)定的壓電效應，具有重大實際意義的進展。 在1970年后，添加不同添加劑的二元系PZT陶瓷具有優(yōu)良的性能，已經(jīng)用來制造濾波器、換能器、變壓器等。 隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對壓電材料與器件的要求就越來越高了，二元系PZT已經(jīng)滿足不了使用要求，于是研究和開發(fā)性能

2、更加優(yōu)越的三元、四元甚至五元壓電材料。 第六章 壓電陶瓷材料及應用二、壓電效應 壓電效應產(chǎn)生的根源是晶體中離子電荷的位移，當不存在應變時電荷在晶格位置上分布是對稱的，所以其內(nèi)部電場為零。 但當給晶體施加應力則電荷發(fā)生位移，如果電荷分布不在保持對稱就會出現(xiàn)凈極化，并將伴隨產(chǎn)生一個電場，這個電場就表現(xiàn)為壓電效應。壓電陶瓷壓電陶瓷 piezoelectric ceramics 壓電陶瓷是指經(jīng)直流高壓極化后，具有壓電效應壓電陶瓷是指經(jīng)直流高壓極化后，具有壓電效應的鐵電陶瓷材料。的鐵電陶瓷材料。力力形變形變電壓電壓 正壓電效應正壓電效應電壓電壓形變形變 逆壓電效應逆壓電效應 晶體受到機械力的作用時，表面

3、產(chǎn)生束縛電荷，晶體受到機械力的作用時，表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關(guān)系，這種由其電荷密度大小與施加外力大小成線性關(guān)系，這種由機械效應轉(zhuǎn)換成電效應的過程稱為正壓電效應。機械效應轉(zhuǎn)換成電效應的過程稱為正壓電效應。 晶體在受到外電場激勵下產(chǎn)生形變，且二者之間晶體在受到外電場激勵下產(chǎn)生形變，且二者之間呈線性關(guān)系，這種由電效應轉(zhuǎn)換成機械效應的過程稱呈線性關(guān)系，這種由電效應轉(zhuǎn)換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。為逆壓電效應。三、壓電性能三、壓電性能1 1、壓電常數(shù)、壓電常數(shù)d33d33 壓電常數(shù)是反映力學量應力或應變與電學量壓電常數(shù)是反映力學量應力或應變與電學量電位移或電場間相互耦合

4、的線性響應系數(shù)。電位移或電場間相互耦合的線性響應系數(shù)。 當沿壓電陶瓷的極化方向當沿壓電陶瓷的極化方向z z軸施加壓應力軸施加壓應力T3T3時，時，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：3333TdD 式中式中d33d33為壓電常數(shù)，足標中第一個數(shù)字指電場方為壓電常數(shù)，足標中第一個數(shù)字指電場方向或電極面的垂直方向，第二個數(shù)字指應力或應變方向或電極面的垂直方向，第二個數(shù)字指應力或應變方向；向；T3T3為應力；為應力；D3D3為電位移。為電位移。第六章 壓電陶瓷材料 它是壓電介質(zhì)把機械能或電能轉(zhuǎn)換為電能或機械能的比例常數(shù)，反映了應力T）、應變S）、電場E或電位移D之

5、間的聯(lián)系，直接反映了材料機電性能的耦合關(guān)系和壓電效應的強弱，從而引出了壓電方程。常見的壓電常數(shù)有四種：dij、gij、 eij、 hij。2 2、機電耦合系數(shù)、機電耦合系數(shù)KpKp 機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)K K是一個綜合反映壓電陶瓷的機械能與電能之間耦是一個綜合反映壓電陶瓷的機械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進行機合關(guān)系的物理量，是壓電材料進行機電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。機電耦合系數(shù)的定義是：機電耦合系數(shù)的定義是：轉(zhuǎn)換時輸入的總電能得的機械能通過逆壓電效應轉(zhuǎn)換所2K轉(zhuǎn)換時輸入的總機械能得的電能通過正壓電效應轉(zhuǎn)換所2K或或 壓電陶瓷振子具有一定形狀、大小和被覆工作電

6、極的壓電陶壓電陶瓷振子具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體的機械能與其形狀和振動模式有關(guān)，不同的振動模式將有瓷體的機械能與其形狀和振動模式有關(guān)，不同的振動模式將有相應的機電耦合系數(shù)。相應的機電耦合系數(shù)。如對薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為如對薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為KpKp平面耦合系數(shù)）；平面耦合系數(shù)）；薄形長片長度伸縮模式的耦合系數(shù)為薄形長片長度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31K31橫向耦合系數(shù)）；橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33K33縱向耦合系數(shù)等?？v向耦合系數(shù)等。第六章 壓電陶瓷材料及應用v它是壓電材料進行機-電能量轉(zhuǎn)換的能力反映。

7、它與材料的壓電常數(shù)、介電常數(shù)和彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，是一個比較綜合性的參數(shù)。其值總是小于1。KpK33KtK15K313 3、機械品質(zhì)因數(shù)、機械品質(zhì)因數(shù)QmQm 壓電陶瓷在振動時，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機械品質(zhì)壓電陶瓷在振動時，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機械品質(zhì)因數(shù)因數(shù)QmQm是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。QmQm越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。機械品質(zhì)因數(shù)機械品質(zhì)因數(shù)QmQm的定義式是：的定義式是：耗的機械能每一諧振周期振子所消能諧振時振子儲存的機械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振

8、頻率fa為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時的最小阻抗為諧振頻率時的最小阻抗Zmin諧振電阻）諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容4 4、頻率常數(shù)、頻率常數(shù)N N 對某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動方向長度對某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動方向長度的乘機為一個常數(shù)，即頻率常數(shù)。的乘機為一個常數(shù)，即頻率常數(shù)。N=frl其中：其中：frfr為壓電振子的諧振頻率；為壓電振子的諧振頻率；l l為壓電振子振動方向的長度。為壓電振子振動方向的長度。薄圓片徑向振動薄圓片徑向振動Np=frD薄板厚度伸縮振動薄板厚度伸縮振動Nt

9、=frt細長棒細長棒K33振動振動N33=frl薄板切變薄板切變K15振動振動N15=frltD為圓片的直徑為圓片的直徑t為薄板的厚度為薄板的厚度l為棒的長度為棒的長度lt為薄板的厚度為薄板的厚度第六章 壓電陶瓷材料四、壓電陶瓷材料主要參數(shù)的確定材料參數(shù)Kp、Qm、d33、33和tg的確定 需采用薄圓片的徑向振動模式，要求薄圓片的直徑比厚度大得多，其比值大于10。極化方向與厚度方向平行，電極面與厚度方向垂直，片子是均勻的正圓形。如果薄圓片的f值較小時，可用下式直接計算： 當=0.27時，Kp2 2.51f/fs 當=0.30時，Kp2 2.53f/fs 當=0.36時，Kp 2.55f/fs第

10、六章 壓電陶瓷 Qm=1/4R1Cf1012 33=4Ctlt/ Ct是薄圓片的低頻電容(法拉),可在1KC頻率下由電容電橋測出,lt為薄圓片的厚度(米), 為薄圓片的直徑(米), 33為自由介電常數(shù)(法拉/米)。 tg用電容電橋或萬用電橋等測出。 d33用準靜態(tài)測試儀測定。 五、壓電陶瓷的極化工藝五、壓電陶瓷的極化工藝 極化工藝是指在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使極化工藝是指在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列。只有經(jīng)過極化工藝陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列。只有經(jīng)過極化工藝處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應。處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應。1 1 極化電場極化電場 極

11、化電場是極化工藝中最主要的因素，極化電場越極化電場是極化工藝中最主要的因素，極化電場越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越充分，一般高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越充分，一般以以KpKp達到最大值的電場為極化電場。達到最大值的電場為極化電場。 極化電場必須大于樣品的矯頑場，通常為矯頑場的極化電場必須大于樣品的矯頑場，通常為矯頑場的2 23 3倍，以常見的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為例，其矯頑場一倍，以常見的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為例，其矯頑場一般為般為8008001200V/mm1200V/mm，極化電場一般取，極化電場一般取200020003000V/mm3000V/mm。3 3 極化溫度極化溫度

12、在極化電場和時間一定的條件下，極化溫度高，電在極化電場和時間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列容易，極化效果好。疇取向排列容易，極化效果好。 溫度過高，陶瓷的電阻率越小，耐壓強度降低，由溫度過高，陶瓷的電阻率越小，耐壓強度降低，由于高電場作用導致陶瓷體擊穿，損壞壓電陶瓷。常用壓于高電場作用導致陶瓷體擊穿，損壞壓電陶瓷。常用壓電陶瓷材料的極化溫度一般為電陶瓷材料的極化溫度一般為5050150150。2 2 極化時間極化時間 外加電場后，極化初期主要是陶瓷內(nèi)部外加電場后，極化初期主要是陶瓷內(nèi)部180180電疇的電疇的反轉(zhuǎn)，之后是反轉(zhuǎn)，之后是9090電疇的轉(zhuǎn)向，而電疇的轉(zhuǎn)向，而9090電疇的轉(zhuǎn)向

13、會由于電疇的轉(zhuǎn)向會由于內(nèi)應力的阻礙而較難進行，因此適當延長極化時間，電內(nèi)應力的阻礙而較難進行，因此適當延長極化時間，電疇取向排列的程度高，極化效果好。一般極化時間為疇取向排列的程度高，極化效果好。一般極化時間為10min10min50min50min。 極化電場、極化時間和極化溫度三者必須綜合考慮，它們之間極化電場、極化時間和極化溫度三者必須綜合考慮，它們之間互有影響，應通過實驗最終確定最佳極化工藝參數(shù)。互有影響，應通過實驗最終確定最佳極化工藝參數(shù)。六、六、 壓電材料與應用壓電材料與應用六、壓電陶瓷材料 不同的應用范圍對壓電陶瓷材料有不同的性能要求。1、鈣鈦礦型壓電陶瓷材料 化學通式是ABO3

14、，A為半徑較大的正離子，可以是+1、+2、+3價；B為半徑較小的正離子，可以是+3、+4、+5、+6。 其中A、B、O三種離子的離子半徑滿足下列關(guān)系時，才能組成ABO3結(jié)構(gòu)： RA+RO=t2RB+RO） t是容忍因子，一般在0.861.03之間均可組成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。工藝性差工藝性差（粉化，（粉化，PbOPbO易揮發(fā)）易揮發(fā)） 工藝性好工藝性好g33=33(10-3g33=33(10-3伏伏米米/ /牛牛) ) g33=11.4(10-3g33=11.4(10-3伏伏米米/ /牛牛) ) d33=56(10-12d33=56(10-12庫庫/ /牛牛) ) d33=191(10-12d33=19

15、1(10-12庫庫/ /牛牛) ) Kp =0.095 Kp =0.095 Kp =0.354 Kp =0.354 難極化難極化 易極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差 Tc=490Tc=490 Tc=120 Tc=120工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄工作溫區(qū)窄PbTiO3PbTiO3陶瓷陶瓷 BaTiO3BaTiO3陶瓷陶瓷 一元系壓電陶瓷一元系壓電陶瓷六、 壓電陶瓷材料典型的配方:(1)0.99PbTiO3+0.04La2/3TiO3+0.01MnO2 預燒溫度為850，保溫2小時。燒成溫度為1240，保溫1小時。=240，Kp=0.096,Qm=1050,Nt=2120(

16、2高頻30M-100MC濾波器用瓷料 PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4=150，Kp=0.40,Qm=8001000,溫度和時間穩(wěn)定性較好。3PbTiO3+3.0wt%CeO2+0.3MnO2+2.53wt%Nb2O5 =230，Qm=1000二元系二元系Pb(ZrTi)O3Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷壓電陶瓷P Pb bZ Zr rO O3 3P Pb bT Ti iO O3 3相相 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)鈣鈣鈦鈦礦礦結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)鈣鈣鈦鈦礦礦結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)正正交交晶晶系系正正交交晶晶系系居居里里溫溫度度 T Tc c2 23 30 04 49 90 0類類 別別反反鐵鐵電電體體鐵

17、鐵電電體體 T Tc cc c/ /a a = =0 0. .9 98 81 1 1 1 T Tc c立立方方順順電電相相 因此，因此，PbZrO3PbZrO3和和PbTiO3PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+Zr4+與與Ti4+Ti4+的半的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-Pb(ZrxTi1-x)O3x)O3，簡稱，簡稱PZTPZT瓷。瓷。PbZrO3-PbTiO3PbZrO3-PbTiO3相圖相圖1 1、隨、隨ZrZr：Ti Ti 變化，居里點幾乎線變化，居里點幾乎線形地從形地從235235變到變到490 49

18、0 ，TcTc線以線以上為立方順電相，無壓電效應。上為立方順電相，無壓電效應。2 2、ZrZr：Ti=53Ti=53：4747附近有一準同附近有一準同型相界線，富鈦側(cè)為四方鐵電相型相界線，富鈦側(cè)為四方鐵電相FTFT；富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相；富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相FRFR，溫度升高，這一相界線向富，溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與鋯側(cè)傾斜，并與TcTc線交于線交于360360（表明相界附近居里溫度（表明相界附近居里溫度TcTc高），高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變。在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變。立方順電相四方鐵電相高溫三方鐵電相A0反鐵電正交相3 3、在四方鐵電相、在四方鐵電相FTF

19、T與三方鐵電相與三方鐵電相FRFR的相界附近具有很強的壓電效的相界附近具有很強的壓電效應，應，Kp, Kp, 出現(xiàn)極大值，出現(xiàn)極大值，QmQm出現(xiàn)出現(xiàn)極小值。極小值。低溫三方鐵電相準同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不準同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，是一個明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區(qū)域內(nèi)，陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共存。在此區(qū)域內(nèi)，陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共存。PbZrO3-PbTiO3PbZrO3-PbTiO3準同型相界的準同型相界的KPKP、d d、PrPr在相界附近的在相界附近的PZTPZT瓷壓電性能比瓷

20、壓電性能比BaTiO3BaTiO3瓷高得多。瓷高得多。由于相界處由于相界處PZTPZT瓷的瓷的TcTc高高(360)(360)，因而在，因而在200200以內(nèi)以內(nèi),KP,KP和和都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。PZTPZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性 為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的PZTPZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來取代壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來取代A A位的位的Pb2+Pb2+離子或離子或B B位的位的Zr4+,Ti4+Zr4+,Ti4+離子，從而改進材料的性能。離子，從而改進材料的性

21、能。其它取代改性硬性取代改性軟性取代改性異價取代等價取代摻雜改性PZT等價取代是指用等價取代是指用Ca2+Ca2+、Sr2+Sr2+、Mg2+ Mg2+ 等半徑較等半徑較 Pb2+ Pb2+ 離子小的二離子小的二價離子取代價離子取代Pb2+ Pb2+ 離子，結(jié)果使離子，結(jié)果使PZTPZT陶瓷的介電常數(shù)陶瓷的介電常數(shù)增大增大，機電耦，機電耦合系數(shù)合系數(shù)KPKP增大增大,壓電常數(shù)壓電常數(shù)d d增大增大 , ,從而提高從而提高PZTPZT瓷的壓電性能。瓷的壓電性能。1、等價取代、等價取代2、異價取代、異價取代所謂所謂“軟性取代改性是指加入這些添加物后能使矯頑場強軟性取代改性是指加入這些添加物后能使矯

22、頑場強EC EC 減減小小 ，極化容易，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變，極化容易，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變“軟軟”。（a aLa3+ La3+ 、Bi3+Bi3+、Sb3+ Sb3+ 等取代等取代A A位位Pb+2Pb+2離子施主摻雜）；離子施主摻雜）；（b bNb5+Nb5+、Ta5+Ta5+、Sb5+Sb5+、W6+W6+等取代等取代B B位的位的Zr4+Zr4+、Ti4+Ti4+離子施主摻離子施主摻雜）。雜）。 經(jīng)軟性取代改性后的經(jīng)軟性取代改性后的PZTPZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場強矯頑場強EC EC 減小減小，機械品質(zhì)因數(shù)，機械品質(zhì)因數(shù)QmQm減小減

23、??； 介電常數(shù)介電常數(shù)增加增加，介電損耗，介電損耗tantan增加增加,機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)KPKP增加增加, , 抗老化性增加，絕緣電阻率抗老化性增加，絕緣電阻率增加增加 。2.1 軟性取代改性軟性取代改性 其原因是它們的加入導致形成Pb2+缺位。如每兩個La3+置換3個Pb2+，為了維持電價平衡，使得在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中A位置上的陽離子數(shù)減少，便產(chǎn)生一個A空位。由于Pb2+缺位的出現(xiàn)，使得電疇運動變得容易進行，甚至很小的電場強度或機械應力便可以使疇壁發(fā)生移動。結(jié)果出現(xiàn)出介電常數(shù)、彈性柔順系數(shù)的增加，同時介電損耗和機械損耗增加，Qm降低。又由于疇的轉(zhuǎn)向容易，使得沿電場方向取向的疇的數(shù)目增加，從

24、而增加極化強度，使得壓電效應大大增加，表現(xiàn)為Kp值的上升。由于疇的轉(zhuǎn)向阻力變小，所以用以克服阻力使極化反向的矯頑場很小，回線近于矩形。又由于Pb2+缺位的存在，緩沖了90疇轉(zhuǎn)向造成的內(nèi)應力，使得剩余應變變小。或者說，由于疇壁容易運動，使得疇的內(nèi)應力容易得到釋放，所以老化性能好。第六章 壓電陶瓷材料 “軟性添加劑是常用的改性添加劑。如：接受型水聲換能器材料，為了提高Kp值和介電常數(shù)，常常用La2O3、Nb2O5摻雜改性。Pb0.95Sr0.05Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5 Kp=0.60，=2100，Qm=80，穩(wěn)定性較好，體積電阻率1012歐姆 “軟性

25、添加劑的量一般不超過5%。所謂所謂“硬性取代改性是指加入這些添加物后能使矯頑場強硬性取代改性是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC EC 添添加加，極化變難，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變，極化變難，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變“硬硬”。（a a） K+ K+，Na+Na+等取代等取代A A位位Pb+2Pb+2離子受主摻雜）；離子受主摻雜）；（b b） Fe2+ Fe2+、Co2+Co2+、Mn2+(Mn2+(或或Fe3+Fe3+、Co3+Co3+、Mn3+)Mn3+)、Ni2+Ni2+、Mg2+Mg2+、Al3+Al3+、Cr3+Cr3+等取代等取代B B位的位的Zr4+Zr4+、T

26、i4+Ti4+離子受主摻雜）。離子受主摻雜）。 經(jīng)硬性取代改性后的經(jīng)硬性取代改性后的PZTPZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場強矯頑場強ECEC增加增加，機械品質(zhì)因數(shù)，機械品質(zhì)因數(shù)QmQm增加增加； 介電常數(shù)介電常數(shù)減小減小，介電損耗，介電損耗tantan減小減小,機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)KPKP減小減小, , 抗老化性降低，絕緣電阻率抗老化性降低，絕緣電阻率減小減小 。2.2 硬性取代改性硬性取代改性壓壓 電電 性性 能能符符 號號軟軟 性性硬硬 性性矯矯 頑頑 場場 強強E EC C減減 小小增增 大大機機械械品品質(zhì)質(zhì)因因數(shù)數(shù)Q Qm m減減 小小增增 大大機機電電耦耦合合系

27、系數(shù)數(shù)K KP P增增 加加減減 小小介介 電電 常常 數(shù)數(shù)增增 加加減減 小小介介 電電 損損 耗耗t ta an n增增 加加減減 小小絕絕緣緣電電阻阻率率增增 加加減減 小小第六章 壓電陶瓷材料v通常取代量不超過鉛離子的20%，以510%為適宜。v例如：Pb0.95Sr0.05Mg0.03(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5%CeO2+0.2%MnO2v Kp=0.575，Qm=10002.3 2.3 其它取代改性其它取代改性非軟非硬添加劑如非軟非硬添加劑如Ce4+Ce4+、Cr3+Cr3+和和Si4+Si4+等，兼具軟性和硬性的特等，兼具軟性和硬性的特征。征。軟性抗老化性PvK硬性

28、mcQE在在PZTPZT陶瓷中加入陶瓷中加入 CeO2 CeO2后：后：在在PZTPZT陶瓷中加入陶瓷中加入 Cr2O3 Cr2O3后：后：硬性PmKQ軟性抗老化性tan多元系多元系Pb(TiZr)O3Pb(TiZr)O3壓電陶瓷壓電陶瓷一些性能往往是互相克制的，如：一些性能往往是互相克制的，如： 國內(nèi)比較常見的國內(nèi)比較常見的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能KP=0.10KP=0.100.400.40，Qm=500Qm=5003600 ,3600 ,具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。器件的要求，但這些性能都不是最佳值。

29、1965 1965年以來，人們通過在年以來，人們通過在PZTPZT的基礎上再固溶另一種組的基礎上再固溶另一種組分更復雜的復合鈣鈦礦化合物分更復雜的復合鈣鈦礦化合物Pb(B1B2)O3Pb(B1B2)O3而形成的三元系、而形成的三元系、四元系甚至五元系壓電陶瓷以獲得更好的壓電性能。四元系甚至五元系壓電陶瓷以獲得更好的壓電性能。Qm Qm 添加添加 ，則，則KPKP減小減小 ；增加增加，則，則tantan增大增大 ；KPKP增加增加 ，則熱穩(wěn)定性，則熱穩(wěn)定性。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系三元系壓電陶瓷

30、壓電陶瓷四元系四元系壓電陶瓷壓電陶瓷五元系五元系壓電陶瓷壓電陶瓷Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3

31、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-P

32、bTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3 -Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3 -Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(M

33、n1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系鈣鈦礦型壓電陶瓷 通過改變Zr/Ti比和摻入少量添加劑，雖可以改善一些性能，但由于壓電材料的應用越來越廣泛，對材料的要求越來越高，僅限二元體系是不能滿足使用要求，因此出現(xiàn)了三元體系。 所謂的三元系鈣鈦礦型壓電陶瓷材料，是指由復合鈣鈦礦型化合物和鋯鈦酸鉛形成的固溶體。A：復合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的形成條件 化學通式是ABO3，A為半徑較大的正離子，可以是+1、+2、+3價；B為半徑較小的正離子，可以是+3、+4、+5、+6。 其中A、B、O三種離子的離子半徑滿足下列關(guān)系時，才能組

34、成ABO3結(jié)構(gòu)： RA+RO=t2RB+RO） t是容忍因子，一般在0.861.03之間均可組成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。B：常見的體系PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3PbMg1/3Ta2/3O3-PbTiO3-PbZrO3PbNi1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3PbMn1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3PbMn1/3Sb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3PbZn1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3C：三元系中組成和性能之間的關(guān)系以PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3為例 見相圖，其三元體系的相界是以線表示的，在相線附

35、近的組成具有、Kp的極大值，同時也具有Qm極小值。再結(jié)合添加劑的改性，可以使材料的性能得到進一步的改善。 由于第三、第四組元的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更由于第三、第四組元的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更為寬廣，在為寬廣，在PZTPZT陶瓷中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種陶瓷中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較大程度地滿足。性能均可以較大程度地滿足。以以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3PbTiO3-PbZrO3系為例，三系為例，三者能完全固溶，且具有三種者能完全固溶，且具有三種晶型。晶型。富富TiTi區(qū)主要為三方鐵電體區(qū)主

36、要為三方鐵電體, ,富富NbNb、MgMg區(qū)為假立方鐵電體。區(qū)為假立方鐵電體。隨著隨著Pb(Mg1/3Nb2/3)O3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶固溶量的增加，在室溫下將出現(xiàn)量的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩條準同形相界，當成分在兩條準同形相界，當成分在準同形相界附近時都具有特準同形相界附近時都具有特別突出的壓電性能。因此使別突出的壓電性能。因此使具有優(yōu)異壓電性能的組成范具有優(yōu)異壓電性能的組成范圍更為寬廣。圍更為寬廣。七、常見體系v鈮鎂酸鉛系： 0.375PbMg1/3Nb2/3O3-0.375PbTiO3-0.25PbZrO3v 加入0.5%NiO,Kp 從0.5 到 0.64；v 加入0.

37、5%MnO2,Qm從73到1640,還可以改善頻率常數(shù)的溫度、老化性；v 同時加入NiO、MnO2 ，Kp 和Qm可以得到改善；v 若一部分鉛被Sr或Ba取代，可以減少鉛的揮發(fā)使燒結(jié)變得容易，并提高絕緣電阻和介電常數(shù)，進一步提高Kp值。七、常見體系v鈮鋅酸鉛系： PbZn1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3v 此系統(tǒng)的特點是致密度高、絕緣性能優(yōu)良，壓電性能好。v如0.25PbZn1/3Nb2/3O3-0.30PbTiO3-0.45PbZrO3+1.2%MnCO3v Kp=0.35,Qm=35004000,=9001000,頻率溫度穩(wěn)定性良好。在同時引入NiO，可以進一步提高Kp值及

38、溫度穩(wěn)定性，適合制作濾波器及換能器。七、常見體系v銻錳酸鉛系： PbMn1/3Sb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3v此特點是Kp值和Qm可以同時達到較高的值，介電損耗小，致密度好。如果用堿土金屬離子置換一部分鉛，并添加一些改性雜質(zhì)，可以進一步提高壓電性能，并獲得穩(wěn)定性良好的材料。例如Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.05 (Zr0.48Ti0.47)O3+0.2重量%CeO2，Kp=0.64,Qm=2826,此系統(tǒng)配方可用于寬帶濾波器及高壓發(fā)生器。七、常見體系v鈮錳酸鉛系： PbMn1/3Nb2/3O3-PbTiO3-PbZrO3v此系統(tǒng)的特點是Qm較高，Kp值中等，介

39、電常數(shù)較低，時間溫度穩(wěn)定性好?？勺餮舆t線的壓電換能器振子。v銻鋰酸鉛系： PbLi1/2Sb1/2O3-PbTiO3-PbZrO3v此系統(tǒng)的特點是Kp值可達80%，但 Qm較低。在未加其它改性添加劑時是典型的軟性材料。作為接收型材料，靈敏度較高。可用作接收型換能器材料。七、常見體系v鎢鎘酸鉛系： 0.15PbCd1/2W1/2O3-0.45PbTiO3-0.40PbZrO3+2.0%Sb2O5v此配方Kp值可達70%， Qm=918，=1381。頻率穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性都很好。當加入適量改性添加劑時，Kp和Qm值能進一步提高。v鎢錳酸鉛系： PbMn2/3W1/3O3-PbTiO3-PbZrO3 v此體系的特點Kp值可達70%， Qm=2000，耐擊穿電壓高，諧振頻率溫度穩(wěn)定性好?？捎糜跒V波器振子及超聲振子。八、無鉛壓電材料 迄今為止，可被考慮的無鉛壓電陶瓷體系有：BaTiO3基無鉛壓電陶瓷；Bi1/2Na1/2TiO3BNT基無鉛壓電陶瓷；鈮酸鹽系無鉛壓電