压电陶瓷
《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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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。
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
压电陶瓷
15 材料 李斌 201507060138
压电陶瓷的概述 压电陶瓷的特性 压电陶瓷的制备 压电陶瓷的应用
压电陶瓷的前景
压电陶瓷的概述
什么是压电陶瓷？ 压电陶瓷是指把氧化 物混合 ( 氧化锫、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，是一种能将机 械能和电能互相转换的功 能陶瓷材料。
压电陶瓷的特性
压电陶瓷蠕变特性： 在一定电压下，压电陶瓷的位移快速达到一定值后。 位移继续随时间变化而缓慢变化，在一定时间后达到稳定 的特性称为蠕变特性。 压电陶瓷温度特性： 压电陶瓷受温度的影响而产生的变化的特性，就叫做 温度特性。
压电陶瓷的制备
配料
混合细磨
预烧
二次细磨
造粒
成型
排塑
烧结成瓷
压电陶瓷的应用
压电打火机 煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只 要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压， 形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用 方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的 打火机可使用 100 万次以上。 防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光 辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压 电，在 1/1000 s 里，能把光强度减弱到只有 1/10000 ，当危险光消 失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克 重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。
压电陶瓷的前景
随着对材料结构的深入认识和应用技术的 研究与拓展，压电陶瓷材料将广泛用于电 子技术、通信技术、激光技术、生物技术 等高科技领域，随着这些领域的飞速发展 和经济社会新的发展需求，对压电陶瓷的 性能会有更高的要求，如高居里温度、高 机电耦合系数和机械品质因数及无铅等性 质。
压电陶瓷定义
压电陶瓷定义
嘿，朋友们！今天咱来聊聊压电陶瓷这玩意儿。
你说这压电陶瓷啊，就像是一个神奇的小魔法师！它呀，能把机械能和电能变来变去，是不是很厉害？
你想想看，就好像它有一双特别的手，能把压力这种东西抓住，然后“嗖”地一下就变成电啦！这多有意思呀。
比如说，你敲敲它，它就能产生电。
这就好比你给它一个小拳头，它就回馈你一些电能量。
压电陶瓷在我们生活中的用处可多啦！像那些个小音箱里面，说不定就有它的身影呢。
它能让声音变得更响亮、更清晰，就好像是声音的小助手，帮着声音变得更好听。
还有啊，在一些测量仪器里，它也能大显身手呢。
咱再打个比方，压电陶瓷就像是一个特别会变脸的演员。
一会儿变成机械能的样子，一会儿又变成电能的模样，来回切换，可有意思啦。
而且它还特别靠谱，总是能很好地完成任务。
你说它怎么就能这么神奇呢？这都是科学家们努力研究的结果呀。
他们就像一群勤劳的园丁，精心培育出了压电陶瓷这朵“神奇之花”。
它的应用范围那叫一个广泛，几乎无处不在。
你家里的一些电器可能就有它默默工作的功劳呢。
它不声不响地为我们服务着，是不是很了不起？
咱可不能小瞧了这小小的压电陶瓷啊，它虽然个头不大，但是能量满满。
它就像一颗隐藏在生活中的小宝石，等着我们去发现它的光芒。
你说，要是没有压电陶瓷，我们的生活会变成什么样呢？是不是会少了很多便利和乐趣呀？所以啊，我们得好好珍惜它，让它更好地为我们服务。
总之，压电陶瓷就是这么一个神奇又实用的东西，它在我们的生活中扮演着重要的角色呢！
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
压电生物陶瓷
压电生物陶瓷
压电生物陶瓷是一种特殊类型的陶瓷材料，具有压电效应。
压电效应是指某些材料在受到力或压力作用时可以产生电荷，或者在施加电场时可以发生形变或振动。
压电生物陶瓷通常是由钛酸锆钠（PZT）等压电陶瓷材料制成。
这些陶瓷材料在生物医学领域中具有广泛的应用，例如：
1. 超声成像：压电生物陶瓷可以用作超声探头中的压电晶体，将电能转换为声能，从而产生超声波。
这些超声波可以用于医学成像，如超声心动图和超声检查。
2. 聆听设备：压电生物陶瓷也可用于人工耳蜗和听力辅助设备中。
它们可以将声音信号转换为电信号，然后传输到听神经中，使听力受损的人能够感知声音。
3. 骨科修复：压电生物陶瓷可以用于骨科修复和骨折治疗。
它们可以作为骨植入物，通过施加电场刺激骨细胞的生长和修复，促进骨骼愈合。
4. 神经刺激：压电生物陶瓷可以用于神经刺激和神经调控。
通过施加电场刺激神经组织，它们可以用于治疗神经性疾病、缓解疼痛和恢复神经功能。
压电生物陶瓷的优点包括其稳定性、可靠性和生物相容性。
它们可以根据特定应用的需求进行制备和形状设计，并且在医学和生物领域中具有广泛的应用潜力。
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种能够产生电荷的陶瓷材料，它的工作原理主要基于压电效应。
压电效应是指当压电材料受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电压。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在许多领域都有重要的应用，比如声波传感器、压力传感器、振动传感器等。
压电效应的基本原理是由皮埃尔·居里兄弟在1880年首次发现的。
他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为压电效应。
后来人们发现，压电效应不仅存在于晶体中，还存在于一些陶瓷材料中，这就是压电陶瓷的起源。
压电陶瓷的工作原理可以通过晶体结构来解释。
压电陶瓷通常是由钛酸钡（BaTiO3）等材料制成的，这些材料具有特殊的晶体结构。
在正常情况下，压电陶瓷的晶体结构是不对称的，即晶格中的正负电荷不平衡。
当外力作用于压电陶瓷时，晶格结构会发生畸变，导致正负电荷重新排列。
这种电荷的重新排列就是压电效应产生的原因。
具体来说，当外力作用于压电陶瓷时，晶格结构会发生压缩或拉伸，导致晶体内部的正负电荷重新分布。
这种电荷的重新分布会导致压电陶瓷的两端产生电压差，从而产生电荷。
这就是压电陶瓷产生电荷的基本原理。
除了外力作用外，压电陶瓷还可以通过其他方式产生电荷。
比如，当压电陶瓷受到声波的作用时，声波的压缩和拉伸也会导致电荷的重新分布，从而产生电压差。
这种特性使得压电陶瓷在声波传感器中有着重要的应用。
除了产生电荷外，压电陶瓷还具有反向的效应，即当外加电压作用于压电陶瓷时，会导致晶格结构的畸变，从而产生机械运动。
这种特性使得压电陶瓷在压电换能器中有着重要的应用，比如压电陶瓷马达、压电陶瓷陶瓷等。
总的来说，压电陶瓷的工作原理主要基于压电效应，即在外力作用下产生电荷分离。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在许多领域都有着重要的应用，比如传感器、换能器、陶瓷等。
随着科学技术的不断发展，相信压电陶瓷在未来会有更广泛的应用。
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§ 7-1 压电陶瓷
压电系数d ：单位机械应力T所产生的极化强度P
d P / T （C/N）
或：单位电场强度V/x所产生的应变△x/x
d (x / x) /(V / x) x /V （m/V）
g E / T （V·m/N）
d和g实质上是相同的，只是在不同的角度反映了材料的压 电性能，d用得较为普遍，g常用于接收型换能器、拾音器， 高压发生器等场合。
§ 7-1 压电陶瓷
机电耦合系数k
k2
电
能
转变所得的机 输入的电能
械
能或
k2
机械能转变所得电能 输入的机械能
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图（a）表示了 天然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，经 过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时 垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，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“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。
§ 7-1 压电陶瓷
z
o
x
y
x
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(a)
(b)
(c)
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
§ 7-1 压电陶瓷
(a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
_
Fy
Fy
_
+
+
Fx→
↓
↓
←Fx
+
_
_
±
+
+
_
Fx→
（b）无外力时[1000]晶面
_
+
_
+
_
←Fx
(c)x轴受压时[1000]晶面
+
_
+
↑
↑
Fy
(d)
y轴受Fy压时[1000]晶面
图 石英晶体的压电效应示意图
§ 7-1 压电陶瓷
当外力F=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其 大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反， 因而晶体对外不显示电性。
在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强 度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电 性——压电效应。
§ 7-1 压电陶瓷
2. 钨青铜型结构
• [BO6]氧八面体以顶角相连构 成骨架。
• B离子为Nb、Ta、W等。 • [BO6]骨架间存在三种空隙： A1（较大）、A2（最大）、C （最小）
• 氧八面体中心因所处位置的 对称性不同可能为B1和B2 • 填满型与非填满型。
钨青铜结构在（001)面上的投影
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。
§ 7-1 压电陶瓷
• 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，
§ 7-1 压电陶瓷
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。
机械量
压 电 元件
压电效应的可逆性
电量
§ 7-1 压电陶瓷
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、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
§ 7-1 压电陶瓷
第七章(2) 压电陶瓷
§7-1 压电陶瓷 §7-2 透明电光陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-1 压电材料概述 §7-1-2 压电陶瓷的主要参数 §7-1-3 铅基压电陶瓷 §7-1-4 无铅压电陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
重点掌握的几个概念： 压电效应 预极化 准同型相界 软性取代 硬性取代
陶பைடு நூலகம்的预极化示意图
§ 7-1 压电陶瓷
• 压电材料分类： 压电单晶 压电陶瓷 压电聚合物 压电复合材料
§ 7-1 压电陶瓷
• 应用举例： 水声技术：水声换能器 超声技术：超声清洗、超声乳化、超声分散 高电压发生装置：压电点火器、引燃引爆、压电变压器 电声设备：麦克风、扬声器、压电耳机 传感器：压电地震仪 压电驱动器
。。。。。。。。
§ 7-1 压电陶瓷
• 压电陶瓷的晶体结构： 1. 钙钛矿结构 2. 钨青铜型结构 3. 铌酸锂型结构 4. 铋层状结构
§ 7-1 压电陶瓷
1. 钙钛矿结构
ABO3： A：＋1,＋2,＋3 Na＋，K＋，Ba2+，La3+ B：＋5,＋4,＋3 Nb5+,Ti4+，Fe3+
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。
§ 7-1 压电陶瓷
E
电致伸长
(a) 极化前
(b) 预极化后
剩余伸长
(c) 预极化后撤出外场
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-1 压电材料概述 • 正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加机械作用
时，发生与机械应力成比例的介质极化，同时在晶体 的两端面出现正负电荷。 • 逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场 强度成比例的变形或机械应力。 • 正、逆压电效应统称为压电效应。 • 晶体的这种性质称为晶体的压电性。
§ 7-1 压电陶瓷
3. 铌酸锂型结构
顺电相
铁电相
• 氧八面体以共面形式重叠 • Li位于氧八面体的公共面 • Nb位于氧八面体中心 • 极化时，Li,Nb偏离中心位 置，沿c轴出现电偶极矩
§ 7-1 压电陶瓷
4. 铋层状结构
Bi4Ti3O12
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电
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 。
反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系
§ 7-1 压电陶瓷
压电电压系数g：单位应力T所产生的电场强度E；或单 位电荷所产生的形变。