压电陶瓷及应用

2011-4-12ห้องสมุดไป่ตู้
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z z b
z o
o x y x
o
y
x a
c
y
(a)
(b)
(c)
晶体外形； 切割方向； (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
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石英晶体
石英（ 是一种具有良好压电特性的压电晶体。 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好， 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。 由图可见， 由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高 ℃， ℃ ℃范围内，温度每升高1℃ 压电系数仅减少0.016％。 但是当到 压电系数仅减少 ％ 但是当到573℃时 ， 它完全失 ℃ 去了压电特性，这就是它的居里点。 去了压电特性，这就是它的居里点。
电极 －－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图 自由电荷 束缚电荷
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 ， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线） 片内的正、 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状( 现放电荷现象 。 当压力撤消后 ， 陶瓷片恢复原状 ( 这是 一个膨胀过程) 片内的正、 负电荷之间的距离变大， 一个膨胀过程 ) ， 片内的正 、 负电荷之间的距离变大 ， 极化强度也变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应， 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
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压电陶瓷
具有压电效应的材料称为压电材料。 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。 压电材料能实现机 电能量的相互转换。 电能量的相互转换
机机机
压压压压
压机
压电效应的可逆性
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在自然界中大多数晶体都具有压电效应， 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、 十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 • 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ΣP =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极 化处理，使ΣP ≠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。
－－－－－－
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
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＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 场 方 向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
电
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由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应， 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化 工序处理而被迫取向排列后， 工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极 化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用） 化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用） 能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 此外，还可以看出， 此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷 而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。 ，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。 所以在陶瓷中产生的放电或充电现象， 所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷 内部极化强度的变化， 内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释 放或补充的结果。 放或补充的结果。
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石英晶体压电模型 不受力时； 轴方向受力； (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
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（1） 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（ 是由碳酸钡（ 钛酸钡 （ BaTiO3） 是由碳酸钡（ BaCO3）和二氧化 ） 钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 ： 分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 分子比例在高温下合成的压电陶瓷 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（ 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石 英晶体的50倍 不足之处是居里温度低（ 英晶体的 倍 ） 。 不足之处是居里温度低 （ 120℃ ） ， ℃ 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 （2） 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅系压电陶瓷（ ） 锆 钛 酸 铅 是 由 PbTiO3 和 PbZrO3 组 成 的 固 溶 体 Pb 它与钛酸钡相比，压电系数更大， （Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里 、 ） 温度在300℃ 以上 ， 各项机电参数受温度影响小 ， 时间 温度在 ℃ 以上， 各项机电参数受温度影响小， 稳定性好。此外， 稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量 元素（如铌、 钨等） 元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能 材料。 的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传 材料 感器中应用最广泛的压电材料。 感器中应用最广泛的压电材料。 2011-4-12
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压电陶瓷
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图（a）表示了天然 是单晶体结构。 石英晶体化学式为 ） 结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。 结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的 特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴 称为光轴， 特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于 光轴的x称为电轴 称为电轴， 轴同时垂直的轴y称为机械轴 光轴的 称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴 称为机械轴。通常把 和 轴同时垂直的轴 称为机械轴。 沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“ 沿电轴 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 应”，而把沿机械轴 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应” 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应 方向的力作用时不产生压电效应。 “横向压电效应”。而沿光轴 方向的力作用时不产生压电效应。
材料物理
压 电 陶 瓷
材料科学与工程学院
T教授
5.1 压电陶瓷的压电效应及应用
压电陶瓷属于铁电体一类的物质， 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向， 电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从 而存在一定的电场。在无外电场作用时， 而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶 体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消， 体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始 的压电陶瓷内极化强度为零，见图（ ） 的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
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压电材料的种类： 压电材料的种类： 种类
压电晶体，如石英等； 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求： 对压电材料特性要求： 转换性能。要求具有较大压电常数。 ①转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件， ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机 械强度高、刚度大， 械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率。 振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数， ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减 弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好， ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 2011-4-12 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 9 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 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）
（顺压电效应） 顺压电效应）
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同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时， 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说， 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线） 同理， 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象， 电致伸缩效应） 能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应） 。
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