压电陶瓷
压电陶瓷

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

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。
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THANKS
造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作, 产生交变的机械振动,用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作,产生强烈的机械振动或变形 ,用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料,如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大, 极化程度越高,压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少,性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大,机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数,能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性,可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性,不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性,可以将太阳能转换为电能,提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器,实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景,如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性,制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
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三、压电陶瓷的应用
1880~1940:压电晶体; 上世纪40年代中期:BaTiO3压电陶瓷问世; 由于压电陶瓷具有突出优点,包括: 制造方便,设备简单,成本低廉,不受尺寸大小限制,可
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3;
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ;
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ;
Na0.5K0.5NbO3 ;Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ;
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3)等。
3
表征参数
机电偶合系数K
or:
K2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大,材料的压电耦合效应越强。 除此之外,还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
锆钛酸铅(PbTiO3—PbZrO3,缩写PZT)陶瓷: Tc>300℃, 在 -50℃ ~ 300℃ 范 围 内 无 相 变 点 , 压 电 常 数 比 BaTiO3大二倍多,因此,它是目前品种最多,产量最大,应 用最为广泛的压电陶瓷。
1. 压电效应
压电陶瓷

压电陶瓷压电陶瓷(Piezoelectric ceramics)是一种特殊的陶瓷材料,具有压电效应。
它具有压电效应,能够在外界施加压力或扭转时产生电荷,同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此,压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先,我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁(Pierre Curie)和雅克(Jacques Curie)在1880年发现的。
他们发现某些晶体,如石英和长石,在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下,这些晶体会发生机械变形,这被称为反压电效应。
接下来,我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先,它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次,压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力,并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外,压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域,实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能,实现声音的放大和传播。
此外,压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之,压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料,具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用,促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展,压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用,为人们的生活带来更多便利和创新。
压电陶瓷

在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同, 则晶体的极化加强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化方向缩短; 若加上交变电场,则晶体产生振动。
Qm ,热稳定性好 抗老化性好
低衰减 硬性材料 频率稳定 软性材料
§ 7-1 压电陶瓷
由于一些性能往往是互相克制的,如Qm ↑ ,则KP ↓ ; ε↑则tgδ ↑ ;KP ↑则热稳定性↓,因此选用材料时应全面考虑, 适当折中。
三§元7系-1铅基压压电电陶陶瓷瓷
a、所谓三元系压电陶瓷,是在PZT的基础上再添加三元复合钙钛矿型物质(A,A’)(B,B’)O3 而组成的。在实际大多 数多元系压电陶瓷中,A位元素仍是铅,所改变的只是处 于八面体中的B位的元素。因此:在钙钛矿结构的三维八 面体网中,在相互固溶的情况下,八面体的中心将有四种 或更多电价不一定为4的元素(包括Zr和Ti)统计地均匀 分布,改变其元素种类与配料,就可调整、优选出一系列 具有特殊性能的压电陶瓷。
等 价 取 代
PZT的
改
性
分
为:异
价
取
软 性 代硬 性
取 取
代 代
改 改
性 性
其 它 取 代 改 性
§ 7-1 压电陶瓷
⑶ 常用PZT瓷料 压电陶瓷用途很多,不同场合对压电陶瓷性能要求不同。
接
收
型
水
声
换
能
器
:g33或g31大
,K
P
,
高效率、高灵敏度 软性材料
换 能 器
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)。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。
压电陶瓷

在电场E3和应力X1作用下,压电陶瓷片产生电位移
当E3 0,X1 = 0, 产生的介电电位移:
D 3(1) = X33 E3 当E3 = 0,X1 0, 产生的压电电位移: D 3(2) = d31 X1 当E3 0,X1 0, 产生的总电位移:
D3 = D 3(1) + D 3(2) = X33 E3 + d31 X1
热力学关系(守恒定律)赋予物理性质本身的固有对称性对宏观 物理性质的影响--要求描述晶体宏观物理性质的二阶以上张量 都是对称张量,如
介电常数张量元 ij = ji 应变 xij = xji
压电常数 dijk = dikj
压电陶瓷的介电常数
对各向同性介质, ij 为标量
对各向异性介质, ij 为二阶张量
X Di ij E j d i X E x d j E j s X
x Di ij E j ei x E X e j E j c x
第二类压电方程组
Ei ijX D j g i X
第三类压电方程组
D x g j D j s X
压电方程组
D3 = X33 E3 + d31 X1 x1 = s11E X1+ d31 E3
压电方程组
对于一般情况:
Di = ijX Ej + di µX µ
x = dj Ej + s µEX µ
可简写为: D= d X + X E x = sE X + d E
第一类压电方程组
类型 第一类边界条件 机械自由 机械夹持 机械自由 机械夹持 名称 电学短路 电学短路 电学开路 电学开路 特点 dX=0 d x=0 dX=0 dx=0 dx0 dE=0 dX 0 dE=0 dx 0 dD=0 dX 0 dD=0
特种陶瓷第五讲压电陶瓷

1942年,第一个压电陶瓷材料——钛酸钡(BaTiO3) 先后在美国、前苏联和日本制成,但其压电性随温度 变化较大。 1954年美国B· 贾菲等人 ,发现了压电PbZrO3 -PbTiO 3(PZT)固溶体系统 。 在1970年后,添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有 优良的性能,已经用来制造滤波器、换能器、变压器 等。 随着电子工业的发展,对压电材料与器件的要求就 越来越高了,二元系PZT已经满足不了使用要求,于是 研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电 材料。
压电常数D33是压电介质把机械能(或电 能)转换为电能(或机械能)的比例常 数,反映了应力(T)、应变(S)、电 场(E)或电位移(D)之间的联系,直 接反映了材料机电性能的耦合关系和压 电效应的强弱,从而引出了压电方程。 常见的压电常数有四种:dij、gij、 eij、 hij。
2)、机电耦合系数Kp
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33(纵向耦合系数)等。
机电耦合系数K是压电材料进行机-电能 量转换的能力反映。它与材料的压电常 数、介电常数和弹性常数等参数有关, 是一个比较综合性的参数。其值总是小 于1 。
3)、机械品质因数Qm
压电陶瓷在振动时,为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质 因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大,能量消耗越小。机 械品质因数Qm的定义式是:
Ps单个电畴的极化强度;Pr剩 余极化强度;Ec矫顽电场。
压电效应及材料
1、压电效应
对某些晶体施加机械力而引起它们内部正负电 荷中心相对位移,产生极化,从而导致介质两 端表面内出现符号相反的束缚电荷。 在一定应力范围内,机械力与电荷呈线性可逆 关系,这种现象称为正压电效应(压→电) 。
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Electrorheological 电流变电流变液 (Electrorheological Fluids)是一种智能流体,通常是由高介电常数的微米量级颗粒分散于低介电常数的绝缘油中而形成的悬浮液。
microfluids 微流体Mechanisms 机制,机械Dynamics 动力,动力学Induced polarization 感应激发极化rheological 流变学的,液流学的effective dielectric constant 有效介电常数insulating 绝缘的在他们研发后的近六十年时间里,电流变液体已经成为具有日益增长的科研魅力和实践重要性的材料。
这个评论追溯到机械装置,是由于这些液体的电流变反应和他们伴随的理论基础。
尤其是,电流变液体被分为了两个不同类型,非传导性的电流变和PZT(锆钛酸铅)piezoelectric ceramic transducer是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构。
PbTiO3和PbZrO3是铁电体和反铁电体的典型代表,因为Zr和Ti属于同一副族,PbTiO3和PbZrO3具有相似的空间点阵形式,但两者的宏观特性却有很大的差异,钛酸铅为铁电体,其居里温度为492℃,而锆酸铅却是反铁电体,居里温度为232℃,如此大的差异引起了人们的广泛关注。
研究PbTiO3和PbZrO3的固溶体后发现PZT具有比其它铁电体更优良的压电和介电性能,PZT以及掺杂的PZT系列铁电陶瓷成为近些年研究的焦点PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体。
具有正压电效应和负压电效应。
具有体积小,重量轻,精度和分辨率高,频率高,出力大等优点目前从环境保护的角度来讲,PZT已经被禁用了现代压电陶瓷材料正在向着复合化,薄膜化,无铅化和纳米化方向发展压电陶瓷在人们生活中的很多方面具有重要的应用,但是目前全球在大量使用的压电陶瓷材料仍是传统的含铅压电陶瓷,其中铅元素高达60%以上。
氧化铅是一种易挥发的有毒物质,在生产,制备,使用,和废弃后的处理过程中,都给人类和生存环境造成损害。
随着环保意识的日益深入,国际上正积极通过法律、法规、政府指令等形式对铅的的电子产品加以禁止。
高温烧结时氧化铅的挥发,在对环境造成污染的同时,还会造成陶瓷化学计量比的偏离,影响材料性能。
因此,无铅压电陶瓷逐渐成为压电陶瓷研究的热点之一。
无铅压电陶瓷的种类主要有:BaTiO3基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷和BNT 基无铅压电陶瓷等WHAT IS “PZT”?PZT, or lead zirconate titanate (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3), is one of the world’s most widely used piezoelectric ceramic materials. When fired, PZT has a perovskite (钙钛矿)crystal structure(晶体结构), each unit of which consists of a small tetravalent (四价的)metal ion(离子) in a lattice(晶格)of large divalent(二价金属)metal ions. In the case of (至于,在。
的情况下)PZT, the small tetravalent metal ion is usually titanium(钛)or zirconium(锆). The large divalent metal ion is usually lead(铅). Under conditions that confer a tetragonal or rhombohedral symmetry on the PZT crystals (鉴于压电陶瓷晶体拥有一个正方体或者斜方六面体的对称性的情况下), each crystal has a dipole moment(电偶极矩).PZT materials, and piezoelectric materials more generally, exhibit a unique range of properties(特殊的性能排列). In a basic sense, if a piezoelectric material is deformed(变形畸形的), an electric charge is generated in what is known as the piezoelectric effec(由于压电效应会产生电荷)t. The opposite of this phenomenon also holds true(相反同样有效): If an electric field(电场)is applied to a piezoelectric material, deformation occurs in what is known as the inverse(相反的颠倒的)piezoelectric effect.PZT is a metallic oxide(金属氧化物)based piezoelectric material developed by scientists at the Tokyo Institute of Technology(东京理工学院)around 1952.(PZT是在大约1952年东京理工学院研发的压电材料基础之上的一中金属氧化物)In comparison to the previously discovered metallic oxide based piezoelectric material Barium Titanate (钛酸钡)(BaTiO3), PZT materials exhibit greater sensitivity (灵敏度)and have a higher operating temperature(工作温度).PZT materials supplied by APC International are manufactured from high purity(高纯度的)precursors (先驱者,前体细胞), with properties(属性)optimized for specific applications by adjusting the zirconia:titania(二氧化钛)ration, and/or by including secondary materials.How is PZT Manufactured?Figure1: The process of manufacturing PZT powders(散剂,粉剂)consists of six distinct(不同的)unit operations (化工单元操作)(See Figure 1). High-purity raw(原材料)materials are evaluated, selected and sourced(获得)throughout the world. Selection criteria, in addition to(除了。
之外)purity, include material activity(活力)and limits on specific deleterious impurities(有毒杂质).Once each material is selected and approved for use, it is precisely weighed(精确的称重), according to the formulation being manufactured(加工配方), and transferred to wet mills(湿磨机). These ingredients(原料)are wet-milled(铣削)together in their proper proportions(适当比例)to achieve a uniform particle size distribution(粒度分布). Precise control over particle size distribution is necessary to ensure appropriate material(适合材质)activity during the calcination(煅烧).Following the wet milling process, the product is dried(干的)and prepared for calcining(煅烧). The product must be calcined in high-purity crucibles(坩埚)to guarantee no chemical contaminants(污染物)are present in the final product. The calcining operation is carried out(进行发生)in air at about 1000°C, where the desired PZT phase(所需的压电陶瓷相)is formed.It is important to remember that the major ingredient(成分)in PZT material is lead oxide(氧化铅), which is a hazardous materia(危险物)l with a relatively high vapor pressure(蒸汽压)at calcining temperatures. Therefore, it is possible to alter the desired composition by allowing too much lead (铅)to evaporate(使蒸发)during the firing operations(烧制). Proprietary measures(独特)are employed to ensure lead loss is not a factor.After calcining, the PZT powder is returned to the mill (磨坊)to ensure homogeneity(同质性均匀性)and to prepare the material for the addition of an organic binding agent(有机粘合剂). Thebinder-containing slurry(密封的粘合剂的研磨液)is then fed to(供应给)a spray dryer(喷雾干燥机), where water is evaporated. A successful spray drying operation requires experienced operators who can regulate the temperatures within the unit in accordance with the solids content(固体含量)of the slurry material, as well as the volume of slurry entering the dryer.The purpose of spray drying the PZT powder material(粉状材料)is to provide a free-flowing(自由流畅的)product in the form of(以某种形式)binder-containing(粘合密闭型的)hollow spheres(空心球体)with a narrow(紧凑的)particle size distribution(粒度分布). The morphology(形态学)of the PZT material is crucial to consistently fill die cavitie(刚模穴,阴模)s in the dry pressing(干压成型)process when manufacturing piezoelectric ceramics. The uniform PZT spheres of appropriate particle size distribution(压电陶瓷球的均匀适当的粒度分布)allow for air escapement(空气擒纵机构)throughout the compaction(压实)process, yielding lamination-free(免层压)green ceramic shapes.What is PZT made of?PZT was developed around 1952 at the Tokyo Institute of Technology. PZT is composed of the two chemical elements lead and zirconium combined with the chemical compound titanate(钛酸盐的化合物). PZT is formed(成形)under extremely high temperatures. The particulates(悬浮颗粒)are filtered out(过滤掉) using a mechanical filter.(机械过滤器)Popularity of PZT CeramicPZT, lead zirconate titanate(锆钛酸铅), is the most commonly used piezo ceramic today. In general, piezo ceramics are the preferred choice because they are physically strong(物理结构上的牢固), chemically inert(化学惰性)and relatively inexpensive to manufacture. Plus(再者), they can be easily tailored(定做)to meet the requirements of a specific purpose. PZT ceramic is revered(拥戴)because it has an even greater sensitivity(高度灵敏)and higher operating temperature than other piezo ceramics.PZT Ceramic ApplicationsPZT ceramic is used in a wide variety of applications. Soft (sensor) PZT ceramic(柔软的pzt陶瓷)powders are typically used when high coupling (高度耦合)and/or high charge sensitivity (高电荷灵敏度)are important, such as in flow(流体)or level sensors(液面传感器); ultrasonic nondestructive testing(超声波的无伤测试/评估的应用)/evaluation (NDT/NDE) applications; or for accurate inspections of automotive, structural or aerospace (汽车,建筑,航天工具)products. Material characteristics include a high dielectric constant(高介电常数); high coupling(高度耦合); high charge sensitivity; high density(高密度)with a fine grain(微利)structure; a high Curie point(居里温度); and a clean, noise-free frequency response(频率响应).Hard (high power(大功率)) PZT ceramic powders are used when high power characteristics are required, including applications such as the generation of ultrasonic or high-voltage(高电压)energy in ultrasonic cleaners(超声波清洗机), sonar devices, etc. Important powder characteristics include a high piezoelectric charge constant (d33); a higher mechanical quality factor(品质因素)that reduces mechanical loss(机械损失)and enables a lower operating temperature; a low dissipation factor(损耗因数)that ensures cooler, more economical operation; high dielectric stability(电解质的稳定性); and low mechanical loss under demanding conditions(需求状况).作为PZT材料的一个基本组成成分PbTiO3,虽被发现甚早,但由于其烧结困难等制作工艺等原因,长期内不能实际应用。