压电陶瓷材料成分
压电陶瓷材料的制作方法
一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅2030份、二氧化锆25份、碳酸钡25份、氧化铜15份、二氧化钛13份、镍13份。
本技术的成分配比合理，易加工，减少了能源消耗，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。
权利要求书1.一种压电陶瓷材料，其特征在于：其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20-30份、二氧化锆2-5份、碳酸钡2-5份、氧化铜1-5份、二氧化钛1-3份、镍1-3份。
技术说明书一种压电陶瓷材料技术领域本技术属于陶瓷材料领域，特别是涉及一种压电陶瓷材料。
背景技术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。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。
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。
技术内容本技术的目的在于提出一种压电陶瓷材料，本技术的制作工艺在坯料成型过程中避免了添加聚乙烯醇，废除了排胶过程，缩短了加工时间，减少了能源消耗，排除在锻烧结晶时的杂质渗入，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。
本技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。
依据本技术提出的一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20-30份、二氧化锆2-5份、碳酸钡2-5份、氧化铜1-5份、二氧化钛1-3份、镍1-3份。
本技术的成分配比合理，易加工，减少了能源消耗，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。
上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例详细说明。
具体实施方式实施例一：一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20份、二氧化锆2份、碳酸钡2份、氧化铜1份、二氧化钛1份、镍1份。
无铅压电陶瓷
无铅压电陶瓷一、引言压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。
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，被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域。
然而，目前所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70%左右。
由于PbO、Pb3O4等含铅化合物在高温时的挥发性，这些陶瓷在生产、使用及废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
如果对含铅陶瓷器件回收实施无公害处理，所需成本也会很高。
另一方面，PbO的挥发也会造成陶瓷的化学计量比偏离配方中的化学计量比，造成产品的一致性和重复性降低。
因此，研制和开发对环境友好的无铅压电陶瓷成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。
二、压电陶瓷及其特性、应用2.1 压电陶瓷压电陶瓷属于无机非金属材料。
它是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结固相反应后而成的多晶体并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，这是一种具有压电效应的材料。
在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。
电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。
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。
无铅压电陶瓷，又被称为环境友好压电陶瓷，其直接表层含义指不含铅、又具有满意的高的压电性能的压电陶瓷材料。
目前国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要包括：BaTiO3基无铅压电陶瓷，(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷，铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐基无铅压电陶瓷（包括钙钛矿结构的碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐）。
压电陶瓷的击穿强度
压电陶瓷的击穿强度
从材料结构角度来看，压电陶瓷通常是由铅酸钛和锆酸钛等化
合物构成的，具有极化性和压电效应。
在电场作用下，材料内部的
电荷会重新排列，导致材料产生应力，当电场强度超过一定数值时，材料会发生击穿现象。
击穿强度受到多种因素的影响，包括材料的化学成分、晶体结构、晶界和缺陷等。
此外，材料的制备工艺、烧结温度、晶粒尺寸
等也会对击穿强度产生影响。
在实际应用中，压电陶瓷的击穿强度是需要进行严格测试和控
制的。
通过实验方法，可以测定材料在特定条件下的击穿强度，以
确保材料在电场作用下的安全可靠性。
总的来说，压电陶瓷的击穿强度是一个重要的材料参数，它对
材料的电学性能和稳定性有着重要影响，需要在材料设计和制备过
程中予以重视和控制。
锆钛酸铅系压电陶瓷课件
良好的机械性能
锆钛酸铅系压电陶瓷具有良好 的机械强度和耐久性，能够承 受较大的机械应力和振动。
易于加工成型
锆钛酸铅系压电陶瓷可以通过 传统的陶瓷加工技术进行成型 和加工，制成各种形状和尺寸
的元件。
锆钛酸铅系压电陶瓷的应用领域
传感器
换能器
锆钛酸铅系压电陶瓷在传感器领域应用广 泛，可用于压力、加速度、声波等物理量 的测量和检测。
国内外市场现状
国内市场
锆钛酸铅系压电陶瓷在国内的应用逐渐普及，市场需求稳步增长。国内企业通 过技术引进和自主研发，逐渐提高产品质量和降低成本，竞争力不断增强。
国外市场
锆钛酸铅系压电陶瓷在国外已经得到了广泛应用，市场相对成熟。国外企业凭 借技术优势和品牌影响力，占据了高端市场，但随着中国企业的崛起，其市场 份额受到一定挑战。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包 括烧成温度、烧成时间和 气氛等参数，确保陶瓷的 致密化和相转化。
烧成后处理
对烧成后的陶瓷进行冷却 、粗磨、细磨等后处理， 以提高其表面质量和尺寸 精度。
表面处理与电极制备
表面粗化
通过喷砂、酸蚀等方法对陶瓷表面进 行粗化处理，增加表面的粗糙度，提 高粘附力。
涂覆底胶
在陶瓷表面涂覆底胶，起到粘合剂的 作用，使电极材料与陶瓷紧密结合。
技术发展趋势
材料改性
通过掺杂、复合等手段改善锆钛酸铅 系压电陶瓷的压电性能、温度稳定性 和机械强度，以满足不同应用场景的 需求。
薄膜化技术
智能制造
引入先进的生产设备和工艺，提高锆 钛酸铅系压电陶瓷的制造效率和产品 质量。
发展锆钛酸铅系压电陶瓷薄膜制备技 术，实现微型化、集成化、多功能化 的应用。
未来市场预测
压电陶瓷
第1章绪论1.1 无铅压电陶瓷的研究意义压电陶瓷可以直接实现电能和机械能的转换。
因而被广泛应用在超声换能、无损探伤、传感器、电子信息等高新技术领域，产品涉及汽车、电子、军事、医疗等各个行业[1]。
压电技术的发展对科技的进步，人民生活水平的提高均有重要的意义。
目前，市场上使用最多的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系压电陶瓷材料。
PZT系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过参杂改性来满足不同的性能要求，因而广受欢迎。
但这些陶瓷中PbO的含量超过60%[2]，而PbO是一种易挥发的有毒物质，其被人体吸收后会在人体内集聚，引起铅中毒，使人的神经系统受到损伤，严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。
[3]此外，铅基陶瓷在生产、使用过程中以及废弃后的处理过程中都会对环境产生严重危害，并且通过水和食物链进行扩散[4]。
近年来随着人们环保意识的增强，人们越来越意识到铅的危害。
为了人民的身体健康，许多国家已立法禁止使用含铅电子材料。
如欧盟规定到2006年7月1日，所以新生产的电子材料都不能含铅[5]。
但在压电陶瓷方面，铅基陶瓷还无法被取代，故只能把含铅压电陶瓷列在禁止名单之外。
但开发无铅压电陶瓷仍是大趋势。
在国际政策和经济利益以及科学探索精神的共同驱使下，这几年无铅压电陶瓷的研究很热，国内外专家学者都做了大量的探索，并取得了不少进步。
1.2 无铅压电陶瓷分类及研究现状现在在研究的无铅压电陶瓷主要分钙钛矿结构材料和非钙钛矿结构材料。
非钙钛矿结构材料有铋层状结构材料和钨青铜结构材料。
1.2.1 铋层状结构材料铋层状结构铁电体是由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交替排列而成,,化学通式为(Bi2O2)2+(A m-1B m O3m+1)2-,此处,A为Bi3+、Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由它们组成的复合离子,B为Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+、Co3+、Cr3+、Zr4+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子,m为一整数,对应于钙钛矿层厚度方向的原胞数[6].铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高, 其中Bi3NbTiO9作为这些材料中居里温度最高的一种，Tc达到914℃，另外它还有介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大以及温度、应力性能稳定等特征.所以,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景.但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场EC高., 现有报道的这类材料的d33最高值才25pC/N[7].且介电温度也很低。
压电陶瓷原材料的处理和选择
压电陶瓷原材料的处理和选择压电陶瓷主要工艺介绍原材料的本质将对压电陶瓷的最终性能产生决定性的影响。
压电陶瓷与传统的陶瓷最大的区别是它对原料的纯度，细度，颗粒尺寸和分布，反应活性，晶型，可利用性以及成本都必须加以全面考虑和控制。
原材料在很大程度上，可决定压电陶瓷元件性能参数的高低，对工艺的顺利进行有重要影响因此，对所用元材料的性能必须有所了解，选择原材料必须符合经济合理的原则。
压电陶瓷所用的各种原料，一般都是各种金属氧化物，有时也采用各种钛酸盐，锆酸盐，锡酸盐，铁酸盐和碳酸盐等。
目前压电陶瓷生产上所用的各种原材料，具有很强的地方性，原材料的质量往往随产地和批号的不同而有很大的区别和差异。
严重影响了生产质量的稳定性。
因此掌握原材料质量对产品性能的影响，进而在生产中预以有效的控制，对确保产品的质量有很大的现实意义。
总的来说，压电陶瓷材料所用的原材料可以分为化工原料和矿物原料二大类。
凡是经由化工厂加工处理而提供的原料称为化工原料如BaCO3. SrCO3. CaCO3. MgCO3. Pb3O4. TiO2. ZrO2. Nb2O5. La2O3等，而直接由矿山开采，只经过适当加工的原料就称为矿物原料。
常用的矿物原料有粘土，长石，石英，滑石，菱镁矿，大理石，白云石等。
一般的日用瓷，普通的电工瓷和部分的无线电陶瓷如{滑石瓷等}几乎都是用矿物原料配成的，而压电和强介电容器等无线电陶瓷则几乎完全是由化工原料配制而成的。
原料的纯度，细度，{或称粒度}和活性是衡量原料质量的三个重要指标。
不论制造钛酸钡，钛酸铅，还是制造二元系锆钛酸铅以及三元系铌镁酸铅等压电陶瓷元件，二氧化钛，二氧化锆，氧化铅或四氧化三铅等，都是主要原材料，一般都在10~60%范围内。
一. 原料的纯度纯度就是原料的纯净程度，相对来说也是指原料的含杂程度。
纯度越高的原料所含的杂质种类和数量越少。
化工原料按纯度可分为工业纯和试剂纯二大类。
而试剂纯的原料按纯度高低又可分为四级，各种化工原料的主要特点如表1所示。
压电陶瓷的生产工艺
压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷是一种以铅锆酸钛（PZT）为主要成分的陶瓷材料，具有压电效应、热电效应和相应的机械、光学效应等多种特性。
压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、机电一体化、微机械系统、高压电子器件、光学器件等领域。
下面将分别介绍压电陶瓷的生产工艺。
1. 压制压制是压电陶瓷生产的第一步。
将制备好的陶瓷粉末与有机粘结剂混合，通过压力将其压制成绿体（未经烧结的陶瓷坯体）。
压制的方法有手压和机械压制两种。
（1）手压：将混合好的陶瓷粉末捏制成坯体，放在压模中，使用手动压制机将陶瓷粉末压制成绿体。
（2）机械压制：将混合好的陶瓷粉末填充在压模中，使用机械压制机进行压制，制成规整的绿体。
2. 烧结绿体需要烧结成精密的陶瓷陶器。
陶瓷部件在烧结时，需要控制温度、时间、气氛及烧结过程中的形变收缩等因素。
（1）烧结温度：绿体的烧结温度通常高于纯物质的熔点，同时也要考虑到不超过材料的化学变化温度。
对於不同种类压电陶瓷材料，其烧结温度也不相同。
（2）烧结时间：烧结时间与温度、材料和形态有关。
时间相对较长可以获得优异的性能，但会消耗较多的能量和时间。
（3）烧结气氛：烧结气氛有空气、氮气、氢气、氧化物及还原性气氛等不同气氛。
3. 切割加工切割是生产压电陶瓷过程中必不可少的工艺之一。
常见的切割方式有钻孔、铣削和线切割。
（1）钻孔：压电陶瓷良好的穿透性使其成为电性元件的理想选择。
通过钻孔可为电容器提供双极电导和电阻刻度。
（2）铣削：通过CNC磨床、CNC雕铣机等设备，使切割好的陶瓷达到所需的尺寸和形状。
（3）线切割：线切割一般适应于压电陶瓷制品较小的情况，使用锥形砂轮配合尺寸精度高的线切割机。
4. 清洁在生产过程中，压电陶瓷会受到氧化、粉末结块和油污等因素的影响，因此对于生产各个环节的工具、设备和瓷件本身都需要进行清洗处理。
（1）氧化：压电陶瓷易受氧化影响，在生产过程中需采取措施保持瓷件清洁。
（2）粉末结块：陶瓷粉末在储存、运输过程中易生成结块，需要采取防潮、除湿等措施。
压电陶瓷材料的分类
压电陶瓷材料的分类1、按主要组成晶体结构分类：现已实用化的压电陶瓷材料主要分为：（1）钙钛结构矿perovskite structure具有钙钛矿结构的铁电，压电陶瓷属于ABO3型氧八面体，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金属。
半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角，体心和面心。
如图所示。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按简立方图样排列而成，各氧八面体由公有的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之间的空隙，钙钛矿原胞是立方的，也可畸变成具有三角和四方对称性。
钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅和KxNa1-xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构。
（2）钨青铜结构tungsten-bronze structure具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10个BO6八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。
偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。
（3）铋层状结构bismuth layer structure铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与{Bi2O12}层交替叠成的。
其中类钙钛矿层可以是一层{如Bi2WO6},二层{如PbBi2Nb3O9}，三层{如Bi4Ti8O12}以至五层。
在类钙钛矿层中，其正离子可被许多离子取代。
（4）焦绿石结构pyrochlore structure焦绿石结构是由共同顶角的{NbO6或TaO6}氧八面体组成，而较大的Cd2+{或Pb2+}离子位于氧八面体之间的间隙中。
这种结构的铁电体仅出现在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限几种化合物中*本公司产品压电陶瓷材料主要为钙钛矿结构。
2、按主要组成组元分类：（1）单元系陶瓷unit system ceramics实用的单元系其结晶构造几乎都是BaTiO3为代表的钙钛矿结构和PbNbO6等的钙青铜结构：属于钙钛矿结构的单元系材料有①BaTiO3、②PbTiO3、③PbZrO3、④居里点高的ＢiNaTi2O6(Tc=320℃),BiKTiO6(380℃),Pb2FeNb6(112℃)和Pb3ZnNb2O3(１４０℃)等压电陶瓷。
压电陶瓷的工艺流程
压电陶瓷的工艺流程压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应，可以在受到机械应力或电场刺激时产生电荷，也可以在受到外加电压时产生机械变形。
压电陶瓷在声波传感器、超声波发生器、压电陶瓷换能器等领域有着广泛的应用。
下面将介绍压电陶瓷的制造工艺流程。
1. 材料准备压电陶瓷的主要原料是氧化铅和氧化锆，此外还需要添加一定比例的助熔剂和稳定剂。
首先需要将这些原料按照一定的配方比例进行混合，以确保最终制成的陶瓷材料具有均匀的化学成分。
2. 粉碎和混合将原料进行粉碎，然后进行混合，以确保各种原料能够充分混合均匀，这样可以提高后续成型的均匀性和稳定性。
3. 成型将混合后的陶瓷粉末放入模具中，然后施加一定的压力进行成型。
常用的成型方法包括干压成型和注射成型。
干压成型是将陶瓷粉末放入模具中，然后施加高压进行成型；而注射成型是将陶瓷粉末与一定比例的有机添加剂混合后，通过注射成型机将其注入模具中，然后进行脱脂和烧结得到成品。
4. 烧结成型后的陶瓷坯体需要进行烧结，以提高其致密度和力学性能。
烧结温度和时间需要根据具体的配方和工艺要求进行控制，通常在氧化性气氛下进行烧结，以确保陶瓷材料的化学成分不发生变化。
5. 加工经过烧结后的陶瓷坯体需要进行加工，包括精密加工和表面处理。
精密加工包括车削、磨削和抛光等工艺，以确保陶瓷制品的尺寸精度和表面粗糙度符合要求。
表面处理则包括涂层、镀膜等工艺，以提高陶瓷制品的性能和外观。
6. 测试制成的压电陶瓷制品需要进行严格的测试，以确保其性能符合要求。
常见的测试项目包括压电性能测试、力学性能测试、尺寸精度测试等。
通过以上工艺流程，可以制备出高质量的压电陶瓷制品，满足各种工业和科研领域的需求。
压电陶瓷的制备工艺虽然复杂，但通过严格的工艺控制和精密的加工技术，可以获得稳定的产品质量和良好的性能表现。
压电陶瓷的压电系数
压电陶瓷的压电系数压电陶瓷是一种能够在施加压力或电场时产生电荷分布变化的陶瓷材料，具有压电效应。
压电系数是描述压电效应强度的物理量，是衡量压电陶瓷材料性能的重要指标。
压电系数是指压电陶瓷材料在单位应力或单位电场作用下所产生的电荷分布变化，通常用d表示。
压电系数的大小与材料的晶体结构、化学成分和制备工艺等因素有关。
常见的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛）系列、PMN-PT（铅镁酸铌-铅钛酸钡）系列等。
PZT系列压电陶瓷材料具有良好的压电性能，其压电系数通常在100-500 pC/N之间。
PZT陶瓷材料可以在机械应力或电场的作用下产生电荷分布变化，从而产生压电效应。
这种材料广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
PMN-PT系列压电陶瓷材料的压电系数更高，通常在1000-2000 pC/N 之间。
由于其较高的压电系数和良好的机械性能，PMN-PT陶瓷材料在超声换能器、声波传感器、压电驱动器等领域具有广泛应用。
除了PZT和PMN-PT系列，还有其他一些压电陶瓷材料，它们的压电系数不同。
例如，锆钛酸铅（PZ）陶瓷材料的压电系数较低，通常在10-20 pC/N之间。
尽管其压电系数较低，PZ陶瓷材料仍具有一些特殊的应用，如微机电系统（MEMS）和生物医学领域。
压电系数的大小直接影响着压电陶瓷材料的性能。
较大的压电系数意味着在施加相同的压力或电场时，材料所产生的电荷分布变化更大，从而产生更强的压电效应。
压电系数越大，压电陶瓷材料的灵敏度越高，适用于更广泛的应用领域。
压电系数的测量通常采用压电测试仪进行。
在测量压电系数时，需要施加一定的压力或电场，并测量相应的电荷分布变化。
通过计算所施加的应力或电场与电荷分布变化之间的比值，即可得到压电系数的数值。
压电系数是描述压电陶瓷材料性能的重要指标，其大小直接影响着材料的压电效应强度。
压电陶瓷材料的压电系数不同，常见的PZT 和PMN-PT系列具有较高的压电系数，广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
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压电陶瓷材料成分
压电陶瓷材料是一种具有压电效应的陶瓷材料，其成分主要包括铈酸锂（LiCeO2）、钛酸锂（LiTiO3）、锆酸铅（PbZrO3）等。
下面将分别介绍这些成分的特点和应用。
铈酸锂是一种高温压电材料，具有较高的压电系数和良好的稳定性。
它的主要特点是压电系数高，能够在高温下工作，因此在高温环境下被广泛应用。
铈酸锂可以用于传感器、声纳、换能器等领域，比如在航空航天领域中，可以用于制作高温传感器，监测发动机温度变化，确保发动机的安全运行。
钛酸锂是一种具有优良压电性能的陶瓷材料。
钛酸锂的主要特点是具有较高的压电系数和较低的机械耗散。
由于其良好的压电性能和稳定性，钛酸锂被广泛应用于传感器、声波滤波器、振荡器等领域。
例如，在移动通信领域中，钛酸锂可以用于制作滤波器，过滤掉杂波，提高通信信号的质量和稳定性。
锆酸铅是一种具有较高压电系数和良好稳定性的压电材料。
锆酸铅的主要特点是具有较高的压电系数和较低的机械耗散，能够在较宽的温度范围内工作。
锆酸铅被广泛应用于声纳、换能器、超声波清洗等领域。
例如，在医疗领域中，锆酸铅可以用于制作超声波清洗器，清洗器的超声波振子由锆酸铅制成，能够产生高频振动，实现对物体的深层清洁。
压电陶瓷材料成分包括铈酸锂、钛酸锂和锆酸铅。
这些材料具有不同的特点和应用领域，但都能够实现压电效应，并在各个领域中发挥着重要的作用。
随着科技的不断发展，压电陶瓷材料的研究和应用将会越来越广泛，为各行业的发展带来新的机遇和挑战。