压电陶瓷基本知识
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压电陶瓷剖析(36页)
超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位， 另 外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工 时间， 提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。
(5)超声加工
<.把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加 在工件 上，就能加工出与工具相同的形状。超声 工具使工件表 面的磨料以相当大的冲击力连续冲 击，破坏超声辐射部 位，使材料破碎而达到去除 材料的目的。
其 它 非线性元件，压电继电器等
压电陶0 瓷应用（一）
电蜂鸣SS
•超声波振子
压电陶瓷应用（二）
5压黾超声换能器的面用写发展
5,1引言
< 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件，
<• 最早的超声换能器是P.郎之万(P. Langevin)在1917年 为水下 探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石 英晶体为压电材 料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。 <• 1933年以后出现的叠片 型磁致伸缩换能器，强度高、
与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密 度高， 效率高，耐击穿，耐髙温，不怕燃烧，无电磁 干扰和电磁噪 声，且结构简单、便于制作、易批量生 产，在某些领域成为 电磁变压器的理想替代元件等优 点。此类变压器用于开关转 换器、笔记本电脑、氖灯 驱动器等。
(2)超声马达
<•超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的 逆压电 效应让马达定子处于超声频率的振动，然 后靠定子和转 子间的摩擦力来传递能量，带动转 子转动。
产生的电荷与施加的应力成比例。 ♦压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、 压电应
力常数以及压电劲度常数等。 ____
♦反映压电陶瓷的弹性变量(即应力、应变)和电学变量 (即电场、 电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。
(5)超声加工
<.把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加 在工件 上，就能加工出与工具相同的形状。超声 工具使工件表 面的磨料以相当大的冲击力连续冲 击，破坏超声辐射部 位，使材料破碎而达到去除 材料的目的。
其 它 非线性元件，压电继电器等
压电陶0 瓷应用（一）
电蜂鸣SS
•超声波振子
压电陶瓷应用（二）
5压黾超声换能器的面用写发展
5,1引言
< 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件，
<• 最早的超声换能器是P.郎之万(P. Langevin)在1917年 为水下 探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石 英晶体为压电材 料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。 <• 1933年以后出现的叠片 型磁致伸缩换能器，强度高、
与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密 度高， 效率高，耐击穿，耐髙温，不怕燃烧，无电磁 干扰和电磁噪 声，且结构简单、便于制作、易批量生 产，在某些领域成为 电磁变压器的理想替代元件等优 点。此类变压器用于开关转 换器、笔记本电脑、氖灯 驱动器等。
(2)超声马达
<•超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的 逆压电 效应让马达定子处于超声频率的振动，然 后靠定子和转 子间的摩擦力来传递能量，带动转 子转动。
产生的电荷与施加的应力成比例。 ♦压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、 压电应
力常数以及压电劲度常数等。 ____
♦反映压电陶瓷的弹性变量(即应力、应变)和电学变量 (即电场、 电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。
简述压电陶瓷
简述压电陶瓷压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。
与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。
它具有压电效应。
所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。
前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。
目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。
由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。
一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。
具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。
如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。
此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。
由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
压电陶瓷
经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化： 矫顽场强EC 减小↓，机械品质因数Qm减小↓；介电常数ε增加↑，介电损耗tanδ 增加↑,机电耦合系数KP增加↑, 抗老化性增加↑ ，绝缘电阻率ρ增加↑。
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代） 所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子； （b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等 取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、 压力传感器、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促 使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃） 工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即 频率常数。
其中：
N=f0L
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代） 所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子； （b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等 取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、 压力传感器、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促 使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃） 工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即 频率常数。
其中：
N=f0L
《压电陶瓷》课件
等。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
完整版压电陶瓷片的原理及特性
完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。
压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。
这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。
压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。
它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。
这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。
2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。
这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。
3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。
因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。
4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。
它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。
5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。
这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。
6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。
7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。
可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。
总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。
这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。
压电陶瓷基本知识培训材料
压电陶瓷的生产工艺
1
制备成型
2
将混合粉末通过成型工艺进行成型，如
注塑成型或压片成型。
3
后续处理
4
进行。
原料准备
选择合适的原料，并进行粉末混合和筛 分。
烧结处理
将成型的陶瓷坯体进行高温烧结处理， 使其达到高强度和致密度。
压电陶瓷的维护保养
1 避免过大的外力冲击 2 定期清洁和检查
避免陶瓷受到过大的外力 冲击，导致晶体结构破坏。
定期清洁表面和检查陶瓷 的完整性和工作状态，及 时进行维修和更换。
3 保持适当的工作环境
保持陶瓷的工作环境适当， 避免受到湿气、油脂和化 学物质等的影响。
压电陶瓷的种类
铅锆酸钛陶瓷 (PZT)
PZT 是最常用的压电陶瓷材料，具有良好 的压电性能和稳定性。
硬陶瓷
硬陶瓷具有优异的耐高温性能和磨损性能， 常用于特殊环境下的应用。
有机压电陶瓷
有机压电陶瓷材料是一种新型的压电材料，具有较高的柔韧性和成型性，适用于特殊工艺需 求。
压电陶瓷的应用领域
传感器
压电陶瓷可以用于制造压力、 温度和加速度传感器，广泛应 用于汽车、医疗和工业领域。
压电陶瓷基本知识培训材料
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，能够在施加或撤离电场时发生形变， 反之亦然。它可以将机械能转化为电能，也可将电能转化为机械能。
压电效应的原理
压电效应的原理是基于压电材料的晶体结构，当施加外力或电场时，晶体中 的正负离子发生位移，导致晶体整体产生形变和电荷分布的变化。
换能器
压电陶瓷可用作声波和超声波 的发生器和接收器，应用于声 纳、超声波清洗和医学成像等 领域。
振荡器
压电陶瓷基本知识概要
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 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，越少越好。 ②有利杂质 与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导 等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电 压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流 超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称 为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角 正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有 功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质 因数Qe（electrical quality factor）
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 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，越少越好。 ②有利杂质 与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导 等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电 压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流 超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称 为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角 正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有 功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质 因数Qe（electrical quality factor）
压电陶瓷基本知识教材
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压电陶瓷基本知识
压电陶瓷的基本知识
发展历史 压电陶瓷的基本概念
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的制作工艺
压电陶瓷的应用
市场发展前景与方向
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
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。
各种规格的压电陶瓷片 晶粒的晶格取向示意图
发展历史
1880
居里兄弟首先发现电气石的压电效
应，从此开始了压电学的历史。
1881
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
给出石英相同的正逆压电常数。
通过正压电效应转换所 得的电能 K 转换时输入的总机械能 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶 瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有 相应的机电耦合系数。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
N33=fr×l N15=fr×lt
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
压电陶瓷的制造工艺
压电陶瓷的制作过程主要步骤 配 料
预 处 理
预 烧
造 粒
成 型 烧 成
测
试
老 化
极 化
上 电 极
机 加 工
压电陶瓷的制造工艺 配料（原料的选择和处理）
3、铁电陶瓷
某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发 极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为 铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷.
压电陶瓷基本知识
压电陶瓷的基本知识
发展历史 压电陶瓷的基本概念
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的制作工艺
压电陶瓷的应用
市场发展前景与方向
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
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。
各种规格的压电陶瓷片 晶粒的晶格取向示意图
发展历史
1880
居里兄弟首先发现电气石的压电效
应，从此开始了压电学的历史。
1881
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
给出石英相同的正逆压电常数。
通过正压电效应转换所 得的电能 K 转换时输入的总机械能 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶 瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有 相应的机电耦合系数。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
N33=fr×l N15=fr×lt
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
压电陶瓷的制造工艺
压电陶瓷的制作过程主要步骤 配 料
预 处 理
预 烧
造 粒
成 型 烧 成
测
试
老 化
极 化
上 电 极
机 加 工
压电陶瓷的制造工艺 配料（原料的选择和处理）
3、铁电陶瓷
某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发 极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为 铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷.
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➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
迄今
压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下 至家庭生活极其广泛。
6
压电陶瓷的基本概念
三 1、自发极化
个 ➢ 120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，
重
Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电
要 荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转
概 变温度称为居里温度或居里点（Tc）。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
15
压电陶瓷的基本概念
➢ 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材 料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧 化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧 化锌等。
➢ 在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶 体才有压电效应。
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
13
压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
14
压电陶瓷的基本概念
➢ 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经 极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出 现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电 荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷 ，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
D= dT
式中d单位为库仑/牛顿（C/ N）
这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电 场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀为 收缩取决于样品的极化方向。
S= dE
式中，d的单位为米/伏（m/v）。
19
压电陶瓷的主要性能参数
对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的， 即有关系：
17
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
➢ 介电常数ε ➢ 介质损耗tanδ
➢ 机电耦合系数Kp ➢ 机械品质因数Qm
➢ 频率常数N
18
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电 位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。其数值的大 小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方 向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以下 关系式：
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。
10
压电陶瓷的基本概念 ➢压电陶瓷的原理：压电效应
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变， 引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加 激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 压电效应的本质
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
Ｅ
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代
表形变后的情况）
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
极化 方向
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应示意图
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 正压电效应
晶粒的晶格取向示意图
3
发展历史
居里兄弟首先发现电气石的压电效
1880 应，从此开始了压电学的历史。
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
1881 给出石英相同的正逆压电常数。
4
发展历史
1942 -1949
发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电 常数和铁电性、压电性。后续解决了 极化问题。50年代美来自日本先后利用BaTiO3压电陶
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压电陶瓷基本知识
1
压电陶瓷的基本知识
➢ 发展历史 ➢ 压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电陶瓷的主要性能参数 ➢ 压电陶瓷的制作工艺 ➢ 压电陶瓷的应用 ➢ 市场发展前景与方向
2
➢压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
各种规格的压电陶瓷片
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。
➢ 将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好 的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电 陶瓷。
➢ 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元 系压电陶瓷等。
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石英晶体和压电陶瓷的比较
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
瓷制作超声换能器、高频换能器、压
力传感器、滤波器等的应用研究。
5
发展历史
1954
美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅 (PZT)具有非常强和稳定的压电性， 促使压电器件的应用研究又大大地向 前推进了一大步。
后来
为了保护地球和人类的生存空间，防 止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未 来研究和应用的方向。
念
7
压电陶瓷的基本概念
三 ➢ 铁电晶体中存在着自发极 个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
➢ 对于自发极化而言，从宏 观统计来看，晶体中存在 着各个方向的自发极化， 它们相互抵消，宏观上对 外不呈现极性。
8
压电陶瓷基本概念
三 2、人工极化
个 ➢ 人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并 重 保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使 要 其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处 概 理前后的变化情况。 念
9
压电陶瓷的基本概念
三 3、铁电陶瓷
个 ➢ 某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发 重 极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为 要 铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷. 概 念
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
迄今
压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下 至家庭生活极其广泛。
6
压电陶瓷的基本概念
三 1、自发极化
个 ➢ 120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，
重
Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电
要 荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转
概 变温度称为居里温度或居里点（Tc）。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
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压电陶瓷的基本概念
➢ 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材 料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧 化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧 化锌等。
➢ 在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶 体才有压电效应。
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
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压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
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压电陶瓷的基本概念
➢ 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经 极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出 现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电 荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷 ，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
D= dT
式中d单位为库仑/牛顿（C/ N）
这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电 场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀为 收缩取决于样品的极化方向。
S= dE
式中，d的单位为米/伏（m/v）。
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压电陶瓷的主要性能参数
对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的， 即有关系：
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压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
➢ 介电常数ε ➢ 介质损耗tanδ
➢ 机电耦合系数Kp ➢ 机械品质因数Qm
➢ 频率常数N
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压电陶瓷的主要性能参数
➢ 压电常数d
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电 位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。其数值的大 小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方 向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以下 关系式：
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。
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压电陶瓷的基本概念 ➢压电陶瓷的原理：压电效应
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变， 引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加 激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 压电效应的本质
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
Ｅ
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代
表形变后的情况）
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
极化 方向
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应示意图
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
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压电陶瓷的基本概念
➢ 正压电效应
晶粒的晶格取向示意图
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发展历史
居里兄弟首先发现电气石的压电效
1880 应，从此开始了压电学的历史。
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
1881 给出石英相同的正逆压电常数。
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发展历史
1942 -1949
发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电 常数和铁电性、压电性。后续解决了 极化问题。50年代美来自日本先后利用BaTiO3压电陶
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压电陶瓷基本知识
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压电陶瓷的基本知识
➢ 发展历史 ➢ 压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电陶瓷的主要性能参数 ➢ 压电陶瓷的制作工艺 ➢ 压电陶瓷的应用 ➢ 市场发展前景与方向
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➢压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
各种规格的压电陶瓷片
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。
➢ 将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好 的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电 陶瓷。
➢ 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元 系压电陶瓷等。
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石英晶体和压电陶瓷的比较
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
瓷制作超声换能器、高频换能器、压
力传感器、滤波器等的应用研究。
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发展历史
1954
美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅 (PZT)具有非常强和稳定的压电性， 促使压电器件的应用研究又大大地向 前推进了一大步。
后来
为了保护地球和人类的生存空间，防 止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未 来研究和应用的方向。
念
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压电陶瓷的基本概念
三 ➢ 铁电晶体中存在着自发极 个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
➢ 对于自发极化而言，从宏 观统计来看，晶体中存在 着各个方向的自发极化， 它们相互抵消，宏观上对 外不呈现极性。
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压电陶瓷基本概念
三 2、人工极化
个 ➢ 人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并 重 保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使 要 其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处 概 理前后的变化情况。 念
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压电陶瓷的基本概念
三 3、铁电陶瓷
个 ➢ 某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发 重 极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为 要 铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷. 概 念