压电陶瓷的压电原理及制作工艺

压电陶瓷压电原理、应用与制作工艺湖北大学材料科学与工程学院压电陶瓷技术研究所周桃生内容压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺•配料•预烧•混合和粉碎•成型与排塑•烧结•极化压电陶瓷的压电原理•压电现象与压电效应压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷点火示意图气体喷嘴高压引线压电振子磷铜片压电振子外壳叩击机构压电蜂鸣器压电陶瓷的压电原理•压电现象与压电效应压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。节点支承边缘支承中心支承•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)压电陶瓷的压电原理压电陶瓷由小晶粒无规则镶嵌成，如图所示。BSPT压电陶瓷断面SEM照片压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)陶瓷显微结构每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶。原子在空间排列成晶格示意图压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)每个小晶粒内还具有铁电畴。PZT陶瓷中电畴结构显微照片压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。晶粒的晶格取向示意图压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构(压电陶瓷的晶胞)压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。钛酸钡晶胞结构随温度的转变压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。BT中自发极化产生示意图压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）①c轴方向决定自发极化取向②能量最低原则决定畴结构晶粒中形成一定的小区排列状态—畴结构晶胞自发极化取向一致小区的存在自发极化取向不一致小区的搭配晶格匹配要求能量最低要求③相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷的压电原理因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发极化方向只能成90°角或180°角，相应电畴交界面就分别称为90°畴壁和180°畴壁。四方相晶体90°畴壁和180畴示意图•压电陶瓷内部结构（电畴形成）电畴在外电场作用下的运动a）极化前（b）极化过程（c）极化后压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构（电畴的运动）在交变电场作用下，因电畴与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到电滞回线，即具有铁电性。图中，PS为自发极化强度，Pr为剩余极化强度，EC为矫顽场强。压电陶瓷极化工序中，一般选择电场强度为2-3倍的EC。压电陶瓷的压电原理•压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化以后的极化•压电效应的再理解瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图压电陶瓷的压电原理正压电效应示意图瓷片压缩，极化强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现放电现象。F撤除，瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。压电陶瓷的压电原理•压电效应的再理解逆压电效应示意图在瓷片上施加与极化方向相同电场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形变。这种由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。压电陶瓷的压电原理•压电效应的再理解作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电阻率ρ和抗电强度Eb等表征。压电陶瓷的主要参数作为压电材料，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Qm•频率系数N•压电系数d：单位机械应力T所产生的电位移D反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系压电陶瓷的主要参数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）。d=D/T（C/N）VxxVxxd/)//()/(（m/V）或：单位电场强度V/x所产生的应变△x/x•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。（V·m/N）TEg/压电陶瓷的主要参数d和g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。•机电耦合系数k或输入的电能电能转变所得的机械能2k输入的机械能机械能转变所得电能2k压电陶瓷的主要参数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、ε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程度，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。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）。压电陶瓷的主要参数Z振动方向Y条状振子K31（横向耦机电合系数）X极化方向Z极化方向振动方向柱状振子K33（纵向机电耦合系数）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）压电陶瓷的主要参数•机械品质因素Qm耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ压电陶瓷的主要参数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，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。压电陶瓷的主要参数在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中，要求高的Qm值。•频率系数N：压电振子的谐振频率f0与振动方向上线度的乘积。LfN0只与材料性质相关，而与尺寸因素无关。压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的用途应用领域举例电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线传感与计测加速度计压力计工业和航空上测定振动体或飞行器工作状态加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器存贮调制电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关存贮光信息存贮器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器等其它非线性元件压电继电器等压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途•压电陶瓷泵阀出口压电陶瓷换能器进口压电陶瓷的用途•压电陶瓷喷墨打印金属片圆锥形容器内液层外墨水池喷嘴金属膜墨水压电陶瓷换能器输入信号压电陶瓷的用途254311.焊接程序控制器；2.超声发生器；3.换能器声学系统；4.焊件；5.工作台•压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声波焊接压电陶瓷的用途•压电陶瓷加湿器雾气出口水箱压电振子水雾风机压电陶瓷的用途•压电陶瓷加湿器压电陶瓷的用途•压电陶瓷变压器（升压型）输入端极化方向极化方向驱动部分发电部分振动方向输出端twl/2tw压电陶瓷的用途•压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途压电陶瓷复印机电源压电陶瓷的用途笔记本电脑背光电源压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器便携式激光电源压电陶瓷的用途激光血管内照射治疗仪压电陶瓷的用途压电陶瓷极化台压电陶瓷的用途压电变压器电警棍压电陶瓷的用途压电陶瓷变压器雷达显示器高压电源压电陶瓷的用途•压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷的用途•压电陶瓷变压器（降压型）压电陶瓷的用途•压电陶瓷水声设备（1）水声通讯仪；（2）主动式声纳（回声定位仪）；（3）被动式声纳压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达（驻波型）123451.压电元件；2.弹性衬垫；3.弹簧；4.转子；5.磨衬垫压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达（行波型）压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达•压电陶瓷超声马达（行波型）环形压电马达工作原理压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达基于压电驱动器杆状微马达（摄像用）压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声马达压电陶瓷的用途超声马达在国外已应用的领域智能飞机磁悬浮列车汽车手机人造卫星细胞穿刺智能药片（压电泵）集成式USM彩色复印机火星探测器半导体制造业照相机手表昆虫机器人变形机翼（应用压电作动器）天文望远镜空中机器人太空机器手压电陶瓷的用途南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM便携式汽油发动机云台控制系统方板型直线USM移动机器人核磁共振注射器关节机器手X-Y运动台（直线USM）行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验非接触性USMX-Y运动台（旋转USM）压电陶瓷的用途•压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途•压电陶瓷驱动器压电陶瓷的用途•压电陶瓷驱动器基于压电驱动器的全方位微移动平台压电陶瓷的用途•压电陶瓷超声清洗压电陶瓷的用途•压电陶瓷换能器压电陶瓷的用途•压电陶瓷电声元器件蜂鸣器扬声器压电陶瓷的用途•压电陶瓷电声元器件扬声器压电陶瓷的用途•压电陶瓷电声元器件压电陶瓷的用途•压电陶瓷探伤仪压电陶瓷的用途•压电陶瓷测厚仪压电陶瓷的用途•压电陶瓷点火元器件压电陶瓷的用途•压电陶瓷发电（框图）压电陶瓷的用途•压电陶瓷发电（鞋）︳压电陶瓷的用途•基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用压电光纤用作能量采集器压电陶瓷的制作工艺•压电陶瓷的制作过程主要步骤极化测试上电极机加工配料混合预烧粉碎成型排胶烧成•配料（原料的选择和处理）压电陶瓷的制作工艺原料是制备压电陶瓷的基础。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。(1)纯度对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原料，有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不宜采用。(2)杂质含量压电陶瓷的制作工艺•配料（原料的选择和处理）杂质允许量主要根据以下三点因素决定：1)杂质类型①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。②有利杂质与材料A、B位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在0.2~0.5%范围内，坏的影响不大，甚至有利。压电陶瓷的制作工艺2)材料类型•配料（原料的选择和处理）①接收型压电陶瓷材料已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在0.5%以内的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。②发射型压电陶瓷材料要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。3)原料在配方中的比例•配料（原料的选择和处理）压电陶瓷的制作工艺在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求纯度均在98%以上。配方中比例小的其它原料，杂质总含量可稍高一些，一般均在3%以下，即要求纯度均在97