低Sc含量BZSPTx高温压电陶瓷的结构和介温特性
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

• 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ppt课件

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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。
压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性压电效应具有可逆性:若在压电陶瓷片上施以音频电压,就能产生机械振动,发出声响;反之,压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时,片上就产生一定数量的电荷Q,从电极上可输出电压信号。
目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT),是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。
鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感,所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。
考虑到在低频下工作,仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求,—般采用双膜片结构,其外形与符号如图1所示。
它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。
D一般为15~40mm,复合振动片的总厚度为h。
当压电材料—定时,谐振频率与h成正比,与(D/2)2成反比。
谐振频率fo与复合振动片的直径D呈指数关系,如图2(a)所示。
显然D 愈大,低频特性愈好。
压电陶瓷片作传声器使用时,工作频率约为300Hz~5kHz。
压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比,由图2(b)可见,阻抗随d/D比值的增大而降低。
>压电陶瓷片的驱动压电陶瓷片有两种驱动方式。
第一种是自激振荡式驱动。
其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈,构成压电晶体振荡器,使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。
此时压电陶瓷片呈低阻抗,输出音量受输入电流控制,因此亦称为电流驱动型。
第二种为他激振荡式驱动,利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。
这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上,因此阻抗较高,输入电流较小,它居于电压驱动式。
其优点是音域较宽。
音色较好。
>压电陶瓷片的测试方法1、电压测试法在业余条件下,可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏,具体方法是:将万用表拨至2.5V直流电压档,左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面,右手持两支表笔,红表笔接金属片,黑表笔横放在陶瓷表面上,如图1所示。
然后左手拇指与食指稍用力压紧一下,随即放松,压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号,使指针先是向右捏一下,接着返回零位,又向左摆一下。
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。
BYPT高居里温度压电陶瓷结构与性能的研究

Absr c :Piz lc rc c r m isBi bO3 Pb i ta t e oee t i e a c Y 一 T 03( BY PT ) ih hi uret m pe a ur r e r d by t e c n— w t gh c i e r t e we epr pa e h o
1 实 验
0 01 7.
K e r s: y wo d BYPT ; g c i e p a ur p s t u t e; lc rc lpr hih ure t m er t e; ha e s r c ur ee t ia ope te ris
.
科 学 技 术 的 飞 速 发 展 , 子 能 、 源 、 空 航 原 能 航
CHENG Lih n , - o g GAo e g HoNG n -iLI J aj , AN C a gs e g Fn , Ro gz , U i-iTI h n -h n
( le e o a e i l i n e. Co l g fM t ra e c Nor h s e n Po y e h ia Sc t we t r l t c n c lUni e s t Xia 0 7 Chi a vri y, n 71 0 2, n)
r l.Th ue eBYP c r miswih 1 B Yb a h x eln rp ris T ea c t 0 i O3h d t ee c l tp o e t ,R s5 0 ℃ ,£ e e wa 9 wa 6 n a wa s6 0a d tn s
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樊慧庆等:掺杂三氧化二锑的钛酸铋钠钾陶瓷的显微结构和电学性能· 1 ·第41卷第4期DOI:10.7521/j.issn.0454–5648.2013.04.00 低Sc含量BZSPT x高温压电陶瓷的结构和介温特性石维1,2,祝娅1,肖定全2,朱建国2(1. 铜仁学院物理与电子科学系,贵州铜仁 554300;2. 四川大学材料科学与工程学院,四川成都 610064)摘要:为了降低BiScO3–PbTiO3高温压电陶瓷的成本,采用传统固相反应制备了低Sc含量(摩尔分数)的(1–x)(0.15BiScO3–0.85PbTiO3)–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 (BZSPT x)高温压电陶瓷,用X射线衍射、扫描电子显微镜表征样品微观结构及组成,结果显示:当x=0.075~0.125,BZSPT x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3具有单一四方相钙钛矿结构,同时BZSPT x体系具有较大的四方畸变度(c/a>1.1)。
介温测试表明BZSPT x体系可获得高于PbTiO3陶瓷的Curie温度(T C>520 )℃,其介温特性依赖于四方畸变程度;当Bi(Zn1/2Ti1/2)O3含量为7.5%时,BZSPT x陶瓷体系获得最大压电活性(d33~76pC/N),同时具有较高的Curie 温度(T C=536℃),该材料体系有望在航空航天、石油勘探和民用等领域的高温压电传感器中得到应用。
关键词:变温压电陶瓷;Curie温度;四方畸变;介温特性;钙钛矿中图分类号:TM223 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2013)04–网络出版时间:网络出版地址:Structure and Dielectric Temperature Characteristic of High Temperature BZSPT xPiezoelectric Ceramics with Sc contentSHI Wei1,ZHU Ya1,XIAO Dingquan2,ZHU Jianguo2(1. Department of Physics and Electronic, College of Tongren, Tongren 554300, Guizhou, China; 2. College of MaterialsScience and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China)Abstract: In order to reduce the cost of the high Curie temperature T C BiScO3–PbTiO3 piezoelectric ceramics, (1–x)(0.15BiScO3– 0.85PbTiO3)–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 (BZSPT x) ceramics were prepared via conventional solid reaction. The BZSPT x ceramics were char-acterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and dielectric temperature characterization method, respectively. The results show that the perovskite phase with the single tetragonal peroviskite structure in the Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 content (x) range from 0.075 to 0.125 of the ceramics can be obtained. Furthermore, the BZSPT x ceramics had a greater lattice distortion (c/a>1.1), a lower piezoelec-tricity and a high T C>520℃. It was also indicated that the ceramics with the greatest value of the piezoelectric constant (d33=76pC/N) at x=0.075 and high T C of 536℃could be promising candidate materials for the high temperature operating environment.Key words: high temperature piezoelectric ceramics; Curie temperature; tetragonal phase distortion; dielectric temperature characteristic;peroviskiteBiScO3–PbTiO3(BSPT)PZT 陶瓷的高压电活性,并具有高于PZT陶瓷的Curie 温度(T C~450)℃而成为当前材料科学研究的前沿和热点之一[1]。
在(1–x)BiScO3–x PbTiO3(BSPT x)体系的研究中,当PbTiO3含量为64%时,陶瓷体系为三方与四方相结构过渡区域,为BSPT x陶瓷体系的准同型相界(MPB),具有压电性能的峰值(d33约为450pC/N)。
但是,稀有金属氧化物原材料Sc2O3的价格昂贵,导致BSPT陶瓷的商用成本远高于PZT陶瓷,很大程度限制了该材料体系的应用范围。
为了降低BSPT陶瓷的制备成本,Sterianou等[2]采用Fe取代Sc获得了压电性能较好(d33约为100pC/N)的(1–x)BiSc1–y Fe y O3–x PbTiO3陶瓷,但是Fe离子的掺入导致Curie温度的降低;高钛酸铅含量的BSPT收稿日期:2012–10–12。
修订日期:2012–12–10。
基金项目:贵州省人事厅项目(TZJF2010041);贵州省科技厅项目(2011- 2031);贵州省黔财教项目[2011(232)]。
第一作者:石维(1975—),男,博士,副教授。
通信作者:朱建国(1955—),男,教授。
Received date:2012–10–12. Revised date: 2012–12–10. First author: SHI Wei (1975–), male, Ph.D., Associate Professor. E-mail: wlxsw@Correspondent author: ZHU Jianguo (1955–), male, Professor. E-mail: nic0400@第41卷第4期2013年4月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 41,No. 4April,20132013-03-02 09:39/kcms/detail/11.2310.TQ.20130302.0939.022.html硅 酸 盐 学 报· 2 ·2013年同样也可以降低Sc 2O 3使用量,然而由于非钛酸铅组分与钛酸铅存在固溶极限的原因[3],使得陶瓷体系中出现富铋相并对钙钛矿结构造成影响使得制备难度较大,而且杂相会影响BSPT 陶瓷的Curie 温度(T C 约为426 ℃)[1]。
陈异等[4]通过Mn 改性高钛酸铅含量的BSPT85组分的实验得到高Curie 温度的压电陶瓷(T C = 520 ℃),不过该体系的压电活性被抑制。
为了进一步研究低成本,高Curie 温度的BSPT 压电陶瓷相关的机理,增强对BSPT 陶瓷的理解,在0.15BiScO 3–0.85PbTiO 3组分中引入了Bi(Zn 0.5· Ti 0.5)O 3三元体系,其分子式为(1–x )(0.15BiScO 3– 0.85PbTiO 3)–xBi(Zn 0.5Ti 0.5)O 3 (BZSPT x ),采用传统陶瓷固相反应在1 000~1 150 ℃温度区域完成固相合成,研究了BZSPT x 陶瓷的结构和电学性能及机理。
1 实 验1.1 样品制备以Bi(Zn 0.5Ti 0.5)O 3为第三相,采用固相法制备(1–x )(0.15BiScO 3–0.85PbTiO 3)–x Bi(Zn 0.5Ti 0.5)O 3 (x = 0.075,0.100,0.125)陶瓷。
用高纯PbO (99.8%,质量分数,下同)、Bi 2O 3 (99%)、ZnO (99%)、Sc 2O 3 (99%)和TiO 2 (99.99%)粉料作为原料,配比后加入一定比例的乙醇溶液球磨24 h ,在800~850 ℃预烧2 h ,2次球磨24 h 后烘干,加入10%(质量分数)的PV A 对粉体造粒,压制成φ 15 mm 的圆片样品,1 050~1 200 ℃烧结2 h ,自然冷却后,采用高温银浆被银,并在710 ℃烧结10 min 获得银电极,将样品放在硅油中加热至120 ℃,用(3~4) × 103 V/mm 的电压极化15~30 min ,最后对样品进行数据测量和实验表征。
1.2 表 征采用中国丹东方圆仪器厂DX-1000型X 射线衍射仪进行物相分析。
用ZJ-3A 型准静态d 33测量仪测试BZSPT x 陶瓷的压电常数d 33。
用HP4980连接高温炉计算机进行数据采集,在25~750 ℃间对BZSPT x 样品进行介电常数–温度特性测试。
采用荷兰FEI 公司Inspect F 型扫描电子显微镜分析了BZSPT x 陶瓷的表面形貌。
用压电工作站(Radiant Technologies ,Inc)对样品进行电滞回线测试。
2 结果及分析2.1 BZSPT x 陶瓷材料的结构图1为当体系中的Bi(Zn 0.5Ti 0.5)O 3含量在0.075~0.125区间,在传统固相法制备工艺条件下,BZSPT x 陶瓷均可形成单一的钙钛矿结构。
可见:朱建国 四川大学材料科学与工程学院党委书记,教授、博士生导师,四川省学术技术带头人、四川省突出贡献专家、四川省有突出贡献的博士学位获得者。
长期从事铁电压电功能材料及元器件、电子薄膜制备与表征新技术等领域的科研和教学工作,先后主持或参加国家“863”项目、军工民口配套项目、国防基础研究项目和国家自然科学基金项目等项目20多项,到校科研经费1000多万元;SCI 收录论文200余篇,获得国家授权发明专利14项;出版教材专著9部;获省部级科技进步一、二、三等奖四项。