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。
压电陶瓷原理
压电陶瓷原理
压电陶瓷是一种能够产生电荷和机械位移的材料。
其基本原理是压电效应，即当施加力或压力时，压电陶瓷会发生相应的形变或机械位移，并在其表面产生电荷分布。
这种特性使得压电陶瓷可以广泛应用于传感器、电器和机械装置等领域。
压电陶瓷的压电效应是由于其晶格结构具有非对称性而产生的。
在晶格结构中，正电荷和负电荷不完全重叠，形成了一种偏离中心位置的离子位移。
当施加外力或压力时，这些偏离的离子会发生位移，并引起电荷的重新分布，产生电场。
根据压电效应的不同方向，压电陶瓷可分为三种类型：纵向压电效应、横向压电效应和体积压电效应。
纵向压电效应是指在压力作用下，压电陶瓷沿着力的方向发生机械位移和电荷分离。
横向压电效应是指在力作用方向的垂直方向上，压电陶瓷发生机械位移和电荷分离。
体积压电效应是指在外力作用下，压电陶瓷整体发生体积变化，从而导致电荷的分离。
通过控制施加的力或压力的大小和方向，可以改变压电陶瓷的形变和电荷分布情况。
这种特性被广泛应用于压电陶瓷的传感器中。
例如，当施加外力时，压电陶瓷会产生电荷分离，可以用来检测力的大小和方向。
此外，压电陶瓷还可以应用于压电陶瓷马达、压电陶瓷换能器等设备中，利用其机械位移和电荷分离特性实现机械能与电能的转换。
总之，压电陶瓷利用压电效应来实现电-机耦合效应，具有广
泛的应用前景。
通过控制施加力或压力的大小和方向，可以改
变压电陶瓷的形变和电荷分布情况，从而实现对电能和机械能的控制和转换。
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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。
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷测量原理1. 引言压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加压力或电场时能够产生电荷分布和电势差。
压电陶瓷广泛应用于传感器、压力计、振动器等领域。
本文将详细介绍压电陶瓷的测量原理及其应用。
2. 压电效应压电效应是指在压电材料中，当施加外力或电场时，会产生电荷分布和电势差。
这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非对称性，导致电荷分布不均匀。
常见的压电材料包括压电陶瓷、压电晶体等。
3. 压电陶瓷的结构与特性压电陶瓷由多种金属氧化物组成，具有良好的压电性能。
它的结构通常由晶粒和孔隙组成，晶粒之间通过晶界连接。
这种结构使得压电陶瓷具有较高的压电系数和较低的机械损耗。
4. 压电陶瓷的测量原理压电陶瓷的测量原理基于压电效应。
当施加压力或电场时，压电陶瓷会发生形变，并产生电荷分布和电势差。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以间接获得施加的压力或电场的大小。
4.1 压力测量原理在压力测量中，将压电陶瓷固定在一个支撑结构上，施加外力使其发生形变。
由于压电效应，形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以计算出施加的压力。
4.2 电场测量原理在电场测量中，将压电陶瓷放置在一个电场中，施加电压使其发生形变。
同样地，形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以计算出施加的电场强度。
5. 压电陶瓷的应用压电陶瓷具有广泛的应用领域，以下列举几个常见的应用：5.1 压力传感器利用压电陶瓷的压电效应，可以制造高精度的压力传感器。
通过测量压电陶瓷的电荷分布或电势差的变化，可以准确测量压力的大小。
5.2 振动器压电陶瓷可以用作振动器，例如在手机中的蜂鸣器。
施加电压时，压电陶瓷会发生形变，产生声音。
5.3 压电陶瓷马达压电陶瓷马达是一种利用压电效应产生的振动力来驱动的马达。
它具有体积小、重量轻、响应速度快等优点，广泛应用于精密仪器和医疗设备中。
6. 结论压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应。
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！
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物质组成
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·NbO.3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5) 等,它们不含有毒的铅,对环境保护有利。
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参 数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律:
Xmn=cmnpqxmnpq
式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, Xmn为应力, xmnpq为应变。 对于压电体, 由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有 关。
C.其他特性
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。 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，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度， 指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
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。
压电陶瓷基本特性
A.压电陶瓷的压电性
压电特性的物理机制
B.介电性及弹性性质
C.其他特性
A.压电陶瓷的压电性
压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。 正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中 心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号 相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正 比, 遵循公式：
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺 寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确 控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技 术、生物工程等领域都是一大福音。
谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键 器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精 度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在 多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背 而面临着被替代的命运。
B.介电性及弹性性质
压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用真空介电 常数ε0来表示。在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系：
表示,P为极化强度,ε0为真空介电常数,x为电极化率,E为外加电场。不同 用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如,压电陶瓷扬声 器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料 的介电常数要小。
压电陶瓷
汪钰博 2017/11/09
1 基本释义 2 发展历史 3 压电陶瓷基本性质 4 物质组成 5 制造工业 6 主要用途
目录
基本释义
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。与典型的不包 含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相 都是具有铁电性的晶粒。
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部 会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电 效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场 去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
发展历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压 电学的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正 逆压电常数。
1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有 可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。
第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电 效应，制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史篇章。
压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作 用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生 如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有 变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极 化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如 果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成 机械效应的现象是逆压电效应。
第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取 得划时代的进展。
1946年麻省理工学院发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压 电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一 定的剩余极化，使它具有压电效应，从此BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处 理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3 压电陶瓷制作超声换能器等各种压电器件的应用研究。
其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。
当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷 中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种 效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：
dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应 变。
压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合 程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:
其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。
压电特性的物理机制
经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极 表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压 力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。 这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。