壓電材料與應用

壓電材料與應用主要內容1.壓電材料概述2.壓電材料的性能指標3.壓電陶瓷體系4.壓電陶瓷制備工藝5.壓電材料的應用壓電材料的原理

壓電效應是指某些介質在力的作用下，產生形變，引起介質表面帶電，這是正壓電效應。反之，施加激勵電場，介質將產生機械變形，稱逆壓電效應。壓電材料概述壓電材料類別1.壓電單晶

石英（SiO2，J·居里和P·居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的），性穩(wěn)定，但價格高，一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中；2.壓電陶瓷材料

PZT、BaTiO3、PTiO3、鉍層狀陶瓷等。3.壓電聚合物

聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應較強的聚合物薄膜，當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料(PVF2—PZT)。4.壓電復合材料壓電陶瓷與聚合物的復合，同時兼具陶瓷的高壓電性能，又有聚合物的韌性，一些指標特別優(yōu)異。0-3型、1-3型、3-3型。壓電材料概述各種壓電材料的優(yōu)缺點

壓電單晶

優(yōu)點：Q值較大，有良好的溫度特性。缺點：制程困難，價格貴。壓電陶瓷

優(yōu)點：抗酸堿，機電耦合系數(shù)高，易制程任意形狀，價格便宜。缺點：溫度系數(shù)大，需高壓極化處理(kV/mm)。壓電聚合物

優(yōu)點：低聲學阻抗特性，柔軟可做極薄的組件。缺點：壓電參數(shù)小，需極高的極化電場(MV/mm)壓電材料概述1、壓電常數(shù)d33

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）間相互耦合的線性響應系數(shù)。當沿壓電陶瓷的極化方向（z軸）施加壓應力T3時，在電極面上產生電荷，則有以下關系式：

式中d33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；T3為應力；D3為電位移,它是壓電介質把機械能（或電能）轉換為電能（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）之間的聯(lián)系，直接反映了材料機電性能的耦合關系和壓電效應的強弱。壓電材料性能指標2、機電耦合系數(shù)Kp

機電耦合系數(shù)K是一個綜合反映壓電陶瓷的機械能與電能之間耦合關系的物理量，是壓電材料進行機—電能量轉換能力的反映。機電耦合系數(shù)的定義是：或

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，不同的振動模式將有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Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長片長度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。壓電材料性能指標KpK33KtK15K31壓電材料性能指標3、機械品質因數(shù)Qm

壓電陶瓷在振動時，為了克服內摩擦需要消耗能量。機械品質因數(shù)Qm是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。Qm越大，能量消耗越小。機械品質因數(shù)Qm的定義式是：其中：fr為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時的最小阻抗Zmin（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容壓電材料性能指標4、頻率常數(shù)N

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)。N=fr×l其中：fr為壓電振子的諧振頻率；l為壓電振子振動方向的長度。薄圓片徑向振動Np=fr×D薄板厚度伸縮振動Nt=fr×t細長棒K33振動N33=fr×l薄板切變K15振動N15=fr×ltD為圓片的直徑t為薄板的厚度l為棒的長度lt為薄板的厚度壓電材料性能指標壓電陶瓷是什么？是一種具壓電效應的多晶體。因生產工藝和陶瓷相近而得名。壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷材料分類壓電陶瓷：1）一元系壓電陶瓷；2）二元系壓電陶瓷；3）三元系壓電陶瓷；4）四元系壓電陶瓷。鋯鈦酸鉛PbTiO3-PbZrO3(PZT)

1965年問世的PCM，它由鋯酸鉛PbZrO3-鈦酸鉛PbTiO3-鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

三成分配比而成。

鈦酸鉛(PbTiO3)系壓電陶瓷；鋯酸鉛(PbZrO3)系壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)工藝性差（粉化，PbO易揮發(fā)）工藝性好g33=33(10-3伏·米/牛)g33=11.4(10-3伏·米/牛)d33=56(10-12庫/牛)d33=191(10-12庫/牛)Kp=0.095Kp=0.354難極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性差Tc=490℃

Tc=120℃工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄PbTiO3陶瓷BaTiO3陶瓷一元系壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷

因此，PbZrO3和PbTiO3的結構相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡稱PZT瓷。多元系Pb(TiZr)O3壓電陶瓷一些性能往往是互相克制的，如：國內比較常見的PZT瓷料的性能KP=0.10～0.40，Qm=500～3600,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。1965年以來，人們通過在PZT的基礎上再固溶另一種組分更復雜的復合鈣鈦礦化合物Pb(B1B2)O3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。Qm

增加↑

，則KP減小

↓

；ε增加↑，則tanδ增大↑；KP增加

↑，則熱穩(wěn)定性↓。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系壓電陶瓷四元系壓電陶瓷五元系壓電陶瓷Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)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(Ni1/3Nb2/3)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(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3無鉛壓電材料

迄今為止，可被考慮的無鉛壓電陶瓷體系有：1.BaTiO3基無鉛壓電陶瓷

a（1-x）BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等）

b（1-x）BaTiO3-xAIBIIO3（AI=K、Na，BII=Nb、Ta）c（1-x）BaTiO3-xAII0.5NbO3（AII=Ca、Sr、Ba）壓電陶瓷系統(tǒng)2.Bi1/2Na1/2TiO3基無鉛壓電陶瓷a(1-x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3b(1-x)BNT-xATiO3(A=Ba、Sr、Ca或由它們組成的復合離子）c(1-x)BNT-xAINbO3（AI=K、Li、Na）d(1-x)BNT-xAIBIIO3（AI=Bi、La；BII=Cr、Fe、Sc、Mn）e(1-x)BNT-xBaTiO3-yBiFeO3壓電陶瓷系統(tǒng)3.NaNbO3基無鉛壓電陶瓷

A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.鉍層狀結構壓電陶瓷

aBi4Ti3O12基無鉛壓電陶瓷

bMBi4Ti4O15基無鉛壓電陶瓷

cMBi2Nb2O9基無鉛壓電陶瓷（M=Sr、Ca、Ba、Na0.5Bi0.5等)

d復合鉍層狀結構壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)(5)鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷a(SrxBa1-x)Nb2O6基無鉛壓電陶瓷b(AxSr1-x)NaNb5O15基無鉛壓電陶瓷(A=Ba、Ca、Mg等）CBa2AgNb5O15基無鉛壓電陶瓷壓電陶瓷系統(tǒng)主要用各種功率型超聲換能器，如超聲霧化器、增濕機、超聲焊接器、超聲清洗機、乳化器等；水聲發(fā)射換能器；壓電變壓器；壓電馬達芯片；點火器和發(fā)射檢測傳感器等等。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()QmPZT-4F15-60.62/34029.113200.351200F15-70.58/31028.012500.40750PZT-8FC-10.52/24025.110800.25/P-50.57/25025.711000.30800PS0.58/24025.810500.40200F30.55/30029.511500.38/SW20.590.47360

15000.341300SW30.590.49312

10500.51100PZT-7PGB0.510.4917432.76020.221129F2-60.560.5018534.36100.191100BT-20.32/15214.811700.70400發(fā)射型壓電陶瓷材料壓電陶瓷系統(tǒng)主要用途：各種檢測傳感器，如壓力計流量計風速計等；水聲換能器；醫(yī)用換能器；電聲器件和點火器等等。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()d31QmPZT-5Sn-80.64/43034.714001.80

60PZT-5AS1-010.6650.515153019501.5519570PZT-5BS330.690.504902820001.7019573S340.730.5455030.521001.7022570S1-10.62/41024.419001.6015060S1-3D0.67/52024.220001.6020565PZT-5JSm-160.65/54022.227501.55

110PZT-5HSm-320.63/63024.529001.3032065Sm-32A0.68/67021.635001.6032065Sm-32B0.670.5168022.038001.8932055Sm-32C0.730.517502441001.9534065接收型壓電陶瓷材料壓電陶瓷系統(tǒng)主要用途：各種高溫傳感器,換能器材料性能Tc(℃)Ktd33(PC/N)ρ（g/cm3）ε33T/ε0

tanδ()QmBTC8400.27187.21300.12/BTS520/227.61400.60/PN15500.41746.02100.709PN24400.39955.83500.6025PN34100.401605.76000.80/PT-54900.40527.72101.01000高溫壓電陶瓷材料壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷的穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性－老化隨時間延長，，fr

，s11E

,kp,Qm原因：極化壓電陶瓷－亞穩(wěn)狀態(tài)－老化過程趨于穩(wěn)定壓電陶瓷系統(tǒng)壓電陶瓷制備流程：配料混料合成細磨加粘結劑成型排塑燒結清洗氧化上電極極化性能測試存放加工壓電陶瓷制備發(fā)明了一種壓電陶瓷一次燒成工藝（國內首創(chuàng)），制備的壓電材料達到了國外包套熱等靜壓工藝的致密度，成本不到熱等靜壓的1/10,性能甚至更高。美國CTS樣品（包套熱等靜壓）

S33樣品（一次燒成）普通燒成樣品壓電陶瓷制備壓電陶瓷顯微結構壓電陶瓷的各種電極制備及其優(yōu)缺點制備方法電極材料優(yōu)點缺點1.燒滲Ag結合好、成本低電極較厚2.磁控濺射Ni-AuAu結合好，可鍍厚膜，可焊性好成本高3.真空蒸發(fā)Ni-AuNiCr-AuCr-Au結合差結合較好結合好膜層較薄，結合較差，可焊性差4.化學鍍、電鍍Ni-AgNi-Au低溫鍍膜，側面及孔內都可均勻鍍上，結合牢污染，成本高，技術難度大壓電陶瓷制備壓電陶瓷的極化機理壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶電介質。所謂“多晶”，它是由無數(shù)細微的單晶組成。

每個單晶形成一單個電疇，無數(shù)單晶電疇的無規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。

要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使“電疇”趨向外電場方向作規(guī)則排列。極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。1.PZT壓電陶瓷常采用的極化條件極化電場：3~5KV/mm極化溫度：100~150oC極化時間：10～20min.2.高溫壓電陶瓷常采用的極化條件極化電場：8~10KV/mm極化溫度：180~200oC極化時間：30

～60

min.壓電陶瓷的極化條件壓電陶瓷制備應用分類

正壓電效應將機械力轉換為電能，如點火裝置，拾音器等，是機電換能器

逆壓電效應

主要用于壓電蜂鳴器，如音樂賀卡、門鈴和揚聲器等

壓電材料應用壓電陶瓷應用壓電陶瓷的應用范圍非常廣泛，而且與人類的生活密切相關。其應用大致可歸納為以下四方面。能量轉換。壓電陶瓷可以將機械能轉換為電能，故可用于制造壓電打火機、壓電點火機、移動X光機電源、炮彈引爆裝置等。用壓電陶瓷也可以把電能轉換為超聲振動，用于探尋水下魚群，對金屬進行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療等。傳感。用壓電陶瓷制成的傳感器可用來檢測微弱的機械振動并將其轉換為電信號，可應用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙感遙測、環(huán)境保護、家用電器等。驅動。壓電驅動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生形變，以精確地控制位移，可用于精密儀器與精密機械、微電子技術、光纖技術及生物工程等領域。頻率控制。壓電陶瓷還可以用來制造各種濾波器和諧振器。壓電材料應用壓電打火機：壓電打火機，就是應用了壓電陶瓷的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，使一根鋼柱在壓電陶瓷上施加機械力，壓電陶瓷即產生高電壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。在這種打火機中，采用直徑為2.5毫米，高度為4毫米的壓電陶瓷，就可得到10～20千伏的高電壓。當壓電陶瓷把機械能轉換成電能放電時，陶瓷本身不會消耗，也幾乎沒有磨損，可以長久使用下去，所以，壓電打火機使用方便，安全可靠，壽命長。壓電材料應用壓電引爆裝置：其實，壓電打火機的點火原理可應用于各個領域，特別是軍事領域。在反坦克炮彈上裝上壓電陶瓷元件，當炮彈擊中坦克時，陶瓷因受壓而產生高電壓，從而引燃炸藥，摧毀坦克。壓電陶瓷在非常強的機械沖擊波的作用下，儲存的能量在以微秒計的瞬間釋放出來，產生瞬間電流達10萬安培以上的高壓脈沖，可用于原子武器的引爆。壓電材料應用壓電探魚儀：探魚儀是一種用來探測水下魚群的聲納設備。其聲波發(fā)射部分和接收部分用壓電陶瓷制成。壓電陶瓷在交變電場作用下，會產生伸縮振動，從而向水中發(fā)射聲波。聲波在向前傳播時遇到魚群即被反射回來，壓電陶瓷接收部分收到回波后，即將它變換成電信號，經過電路處理就會顯示出魚群的規(guī)模、種類、密集程度、方位和距離等，便于捕撈作業(yè)。壓電探魚儀其發(fā)射功率已達到兆瓦級。用壓電陶瓷制成的接收部分有很高的靈敏度，根據(jù)回波的強弱可以判斷是海底、礁石，還是魚群，甚至可以判斷魚群的種類、大小和分布情況。壓電材料應用壓電地震儀：地震是常見的自然現(xiàn)象。全世界每年要發(fā)生幾百萬次地震，平均每分鐘就有十幾次。不過絕大多數(shù)地震比較微弱，人們感覺不到。強烈的大地震，一般每年不過三五次。然而這種大地震一旦發(fā)生，對人類造成的災難是毀滅性的，因此地震預報十分重要。測量地震的儀器靈敏度越高越精確，地震預報就報得越早越準，就可