压电陶瓷简介
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
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
• 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。
机械量 压电元件
压电效应的可逆性
电量
• 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
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。逆压电常数与 正压电常数相等。 • 压电应变常数 d—单位应力产生的电位移/单位电场引 起的应变 • 压电电压常数 g－单位应力引起的电压 • 压电应力常数 e－单位电场引起的应力 • 压电劲度常数 h－造成单位应变所需的电场
传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的 机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、 气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。 驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产 生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密 机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。 频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和 谐振器。
压电陶瓷
张波
2012年10月14日
目录
1、压电陶瓷的定义 1 2、压电陶瓷的结构与材料体系 22
3 3、压电陶瓷的主要参数
《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。
压电陶瓷
压电陶瓷压电陶瓷历史压电陶瓷是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，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。
1880年法国人居里兄弟发现了"压电效应"。
1942年，第一个压电陶瓷材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
1947年，钛酸钡拾音器--第一个压电陶瓷器件诞生了。
50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。
从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。
60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。
如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。
这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。
80年代后期至今，人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料，为三维超声波成像奠定了基础。
目前，人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。
目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。
压电陶瓷应用利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。
用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。
用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。
利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。
在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。
压电陶瓷及其应用培训资料
超声波发生器
利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声波，广泛应用于无损检测、医疗成像等领域 。
麦克风
利用压电陶瓷的压电效应，将声音转化为电信号，用于语音识别、录音等场合。
振动控制
振动隔离
通过控制压电陶瓷的形变，实现精密 仪器的振动隔离，提高测量精度。
振动主动控制
利用压电陶瓷的逆压电效应产生反作 用力，对结构振动进行主动控制，提 高结构的稳定性。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过微加工 技术进行加工和集成，实 现小型化和高精度。
压电陶瓷的发展历程
早期发展
20世纪初，科学家开始研 究压电陶瓷，并逐渐应用 于声呐、无线电等领域。
中期发展
随着科技的发展，压电陶 瓷在传感器、换能器等领 域的应用逐渐增多，性能 也不断提高。
近期发展
随着新材料和加工技术的 发展，压电陶瓷在微纳尺 度、智能传感器等领域的 应用越来越广泛。
电子听诊器
压电陶瓷在电子听诊器中作为传感器，将心跳或呼吸产生的 机械振动转换为电信号，用于医学诊断。
电子听诊器具有操作简便、准确度高、可重复性好等优点， 广泛应用于临床医学和家庭保健领域。
05
压电陶瓷的未来展望
新材料与新工艺的发展
新型压电陶瓷材料
随着科技的不断进步，新型压电陶瓷材料如纳米压电陶瓷、高温压电陶瓷等将不断涌现，为压电陶瓷 的应用提供更多可能性。
压电陶瓷及其应用培 训资料
目录
• 压电陶瓷简介 • 压电陶瓷的工作原理 • 压电陶瓷的应用领域 • 压电陶瓷的应用实例 • 压电陶瓷的未来展望
01
压电陶瓷简介
压电效应与压电陶瓷
压电效应
某些材料在受到外部压力时会产生电 场，这种现象称为压电效应。利用压 电效应制作的陶瓷称为压电陶瓷。
压电陶瓷ppt课件
感谢您的观看
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。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
使压电材料的压电效应消失的温度。
压电材料的主要特性
转换性能：要求具有较大的压电常数。
机械性能：机械强度高、刚度大。 电性能：高电阻率和大介电常数。
环境适应性：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。 时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
压电陶瓷历史
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水
下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器， 并用于探测水下的物体。 1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械 谐振频率特有的电性能，导致罗息盐电声组件问 世。 1921年 相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创 了压电效应在稳频、计时和电子技术方面 的应用。
和介电常数，机械强度不如石英。
2、锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）压电
系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素， 可以获得不同性能的PZT材料。
3 、 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷
压电材料应用
压电陶瓷按照应用分类共分为七大类： 压电振荡器及材料 压电声电组件：蜂鸣器、送话器、受话器、压电喇叭 压电超音波换能器：超音波清洗、超音波雾化、超音波美容、 超音波探测 信息处理组件：滤波器、谐振器、检波器、监频器、表面声波、 延迟线 动力装置：点火器、超音波切割、超音波粘接、压电马达、压 电变压器 压电传感器：速度、加速度计、角速度计、微位移器 光电组件：光调节器、光调节阀、光电显示、光信息储存、影 象储存和显示 目前市场容量最大的组件是频率组件，主要包括滤波器和谐振器。
压电应变常数d33:
表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。
d 33 t (m / V ) U
压电电压常数g33：
表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。
g 33 UP (V m / N ) P
压电材料的主要性能参数
t 介电常数ε: C A
转换的能量 机电耦合系数K: K 输入的能量
（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2 仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。
压电原理
石英的晶体结构
Y X Y +
+
+ (b)
X
(a)
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
石英的压电机制
压电陶瓷的极化
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
(a)极化处理前
(b)极化处理中
(c)极化处理后
极化后的压电陶瓷
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向自由电荷束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
压电效应
压电效应
逆压电效应
压电陶瓷等效模拟电路
并联模拟电路
串联模拟电路
压电材料的主要性能参数
表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。
E贮 机械品质因子Qm : Qm E损
压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损耗的能 量E损之比称为机械品质因子Qm。
压电材料的主要性能参数
cL (常数） 频率常数Nt: N t tf 0 2
压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数， 这个常数叫做频率常数。
压电陶瓷历史
1947年 采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，这
对压电材料的应用具有重大意义，极大地刺激了 压电陶瓷材料的研究与应用开发。 1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有 优良的压电性后，聚合物驻极体的研究和应用迅 速发展起来。
常见的压电陶瓷材料
1 、钛酸钡（ BaTiO3 ）压电陶瓷具有较高的压电系数
奥迪威公司压电蜂鸣片
电声元件
开放式超声波传感器
超声波雾化片
奥迪威其它压电产品
超声波马达
C-171微型旋转陶瓷电机
超声波压电陶瓷电机
液晶电视用模组
压电陶瓷点火器
谢谢
压电陶瓷
压电材料 压电发展历史
压电材料简介
常见的压电材料 压电材料的性能参数 压电材料应用
自然界中的压电材料——石英
压电陶瓷
高分子压电材料（压电薄膜）
压电陶瓷历史
1880年 法国的P.Curie和J. Curie兄弟在研究热电
性与晶体对称 性的关系时发现了正压电效应这一 物理现象，他们所 报导的这些晶体中就有后来广 为研究的罗息盐(NaKC4H4O6.4H2O—酒石酸钾 钠) 。 1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷 量守恒的 原理，推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预言很快就被 居里兄弟用实验所证实。后来 发现了磷酸二氢钾、 硫酸锂单水化合物和BaTiO3等重要压电晶体。