压电陶瓷PPT课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《压电陶瓷PPT课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 压电 陶瓷 PPT 课件
- 资源描述:
-
1、7-1 压电陶瓷7-2 透明电光陶瓷v第七章第七章 压电陶瓷压电陶瓷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v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷重点掌握的几个概念:重点掌握的几个概念:l 压电效应压电效应l 预极化预极化l 准同型相界准同型相界l 软性取代软性取代l 硬性取代硬性取代 v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v7-1-1 压电材料概述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、
2、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。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v具有压电效应的材料称为压电材料。具有压电效应的材料称为压电材料。v压电材料能实现机压电材料能实现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷压电元件机械量电量v压电效应的可逆性压电效应的可逆性 v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但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石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压
3、电材料。 v v v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图(,是单晶体结构。图(a)表示)表示了天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英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。其中纵向轴晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴,与称为电轴,与x和和z轴同轴同时垂直的轴时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用方向的力作用下产生电荷的压电效应称为下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电
4、效应”,而把沿,而把沿机械轴机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向横向压电效应压电效应”。而沿光轴。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)v(a) (a) 晶体外形;晶体外形; (b) (b) 切割方向;切割方向; (c) (c) 晶片晶片 v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v石英晶体压电模型石英晶体压电模型v(a) (a) 不受力时;不受力时; (b) (b) x x轴方向受力;轴方向受力; (c) (c) y y轴方向受力轴方向受力 v 当外
5、力当外力F=0时,压电陶瓷表面存在一层表面电荷,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,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。因而晶体对外不显示电性。v v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 在外力在外力F的作用下,压电陶瓷产生形变,晶体的极化的作用下,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,晶体对外显示电强度发生变化,因而表面束缚电荷变化,晶体对外显示电性性压电效应。压电效应。 v 在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同,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
6、强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变则晶体的极化加强,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;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。若加上交变电场,则晶体产生振动。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,但由于晶粒和电畴分布无一定规则,各方向几率相同,使P =0,因而不显示压电效应,故必须经过人工预极化处理,使P 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。v 7-1 压电陶瓷压电陶
7、瓷v陶瓷的预极化示意图陶瓷的预极化示意图v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v(a) 极化前极化前v电致伸长电致伸长v(b) 预极化后预极化后vEv剩余伸长剩余伸长v(c) 预极化后撤出预极化后撤出外场外场压电材料分类:压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料 v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷应用举例: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。v 7-1 压电陶瓷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 v 7-1 压电陶瓷压
8、电陶瓷1. 钙钛矿结构vABO3:vA:1,2,3vNa,K,Ba2+,La3+vB:5,4,3vNb5+,Ti4+,Fe3+v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷2. 钨青铜型结构 BO6氧八面体以顶角相连构氧八面体以顶角相连构成骨架。成骨架。 B离子为离子为Nb、Ta、W等。等。 BO6骨架间存在三种空隙:骨架间存在三种空隙:A1(较大)、(较大)、A2(最大)、(最大)、C(最小)(最小) 氧八面体中心因所处位置的氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为对称性不同可能为B1和和B2 填满型与非填满型。填满型与非填满型。v钨青铜结构在(钨青铜结构在(001)面上的投影面上的投影v 7-1 压电陶瓷压
9、电陶瓷3. 铌酸锂型结构v顺电相顺电相v铁电相铁电相v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 氧八面体以共面形式重氧八面体以共面形式重叠叠 Li位于氧八面体的公共位于氧八面体的公共面面 Nb位于氧八面体中心位于氧八面体中心 极化时,极化时,Li,Nb偏离中心偏离中心位置,沿位置,沿c轴出现电偶极轴出现电偶极矩矩4. 铋层状结构vBi4Ti3O12v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v7-1-2 压电陶瓷的主要参数压电陶瓷的主要参数v 作为介电材料,可用介电系数作为介电材料,可用介电系数,介电损耗,介电损耗tg,绝缘电,绝缘电阻率阻率和抗电强度和抗电强度Eb等表征。等表征。v 作为压电材料,还必须补充一些参数:作为
10、压电材料,还必须补充一些参数: 压电系数压电系数d、g 机电耦合系数机电耦合系数k 机械品质因素机械品质因素Q 频率系数频率系数Nv 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 压电系数压电系数d :单位机械应力:单位机械应力T所产生的极化强度所产生的极化强度P (C/N)v 或:单位电场强度或:单位电场强度V/x所产生的应变所产生的应变x/xv (m/V)v 常用的为横向压电系数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数和纵向压电系数d33(脚标(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械振动方向)。
11、四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、d33和和 d15 。TPd/VxxVxxd/)/()/(v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 压电电压系数压电电压系数g:单位应力:单位应力T所产生的电场强度所产生的电场强度E;或单;或单位电荷所产生的形变。位电荷所产生的形变。v (Vm/N)vd和和g实质上是相同的,只是在不同的角度反映了材料的实质上是相同的,只是在不同的角度反映了材料的压电性能,压电性能,d用得较为普遍,用得较为普遍,g常用于接收型换能器、拾音常用于接收型换能器、拾音器,高压发生器等场合。器,高压发生器等场合。TEg/v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 机电耦合系数机电耦合系数kv 或或 v
12、 v Kp是压电材料进行机械能是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。电能转换的能力反映。它与材料的压电系数、它与材料的压电系数、和弹性常数等有关,是一个比较综和弹性常数等有关,是一个比较综合的参数。合的参数。v 机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率,机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率,由于转换不可能完全,总有一部分能量以热能、声波等形由于转换不可能完全,总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播,因而式损失或向周围介质传播,因而K总是小于总是小于1的。的。输输入入的的电电能能电电能能转转变变所所得得的的机机械械能能2k输输入入的的机机械械能能机机械械能能转转变变
13、所所得得电电能能2kv 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 不同材料的不同材料的k值不同;同种材料由于振动方式不同,值不同;同种材料由于振动方式不同,k值也不同。值也不同。 常用的有横向机电耦合系数常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数、纵向机电耦合系数k33 、以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp(或(或称径向机电耦合系数称径向机电耦合系数kr)。)。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷vZv极化方向极化方向v振动方向振动方向v柱状振子柱状振子vK33(纵向机电耦合系数)(纵向机电耦合系数)vZv振动方向振动方向vYv条
14、状振子条状振子vK31(横向耦机电合系数)(横向耦机电合系数)vXv极化方向极化方向vZv极化方向极化方向v圆片振子圆片振子vKp(平面机电耦合系数)(平面机电耦合系数)vKr(径向机电耦合系数)(径向机电耦合系数) 机械品质因素机械品质因素Qm耗耗的的机机械械能能每每一一谐谐振振周周期期振振子子所所消消能能谐谐振振时时振振子子储储存存的的机机械械2mQv 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 逆压电效应使压电材料产生形变,形变又会产生电逆压电效应使压电材料产生形变,形变又会产生电信号,如果压电元件上加上交流信号,当交流电信号的频信号,如果压电元件上加上交流信号,当交流电信号的频率与元件(振子)的固有振
15、动频率率与元件(振子)的固有振动频率fT相等时,便产生谐振。相等时,便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦,而损耗一部分能量(转换成振动时晶格形变产生内摩擦,而损耗一部分能量(转换成热能)。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入热能)。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入Qm这个这个参数,参数,Qm越高,能量的损耗就越小。越高,能量的损耗就越小。Qm 的大小以与相应的大小以与相应的谐振方式有关,无特别说明时表示平面(或径向)振动的谐振方式有关,无特别说明时表示平面(或径向)振动的机械品质因素。的机械品质因素。v 在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中,要在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中,要求
16、高的求高的Qm值。值。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷 频率系数频率系数N :压电振子的谐振频率压电振子的谐振频率f0与振动方向上线度的与振动方向上线度的乘积。乘积。LfN0v只与材料性质相关,而与尺寸因素无关。只与材料性质相关,而与尺寸因素无关。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 铁电单晶固然具有较高的压电效应,但单晶工艺铁电单晶固然具有较高的压电效应,但单晶工艺复杂,不易加工成各种形状,因而不易大量生产,成本复杂,不易加工成各种形状,因而不易大量生产,成本也很高。也很高。v 铁电陶瓷则易加工生产,成本低,且能根据不同铁电陶瓷则易加工生产,成本低,且能根据不同的用途对性能的要求采用掺杂改性。缺点:存
17、在粒界,的用途对性能的要求采用掺杂改性。缺点:存在粒界,气孔及其它缺陷,均匀性及机械强度不够理想,电损耗气孔及其它缺陷,均匀性及机械强度不够理想,电损耗较大,妨碍了压电陶瓷在高频率中的使用。较大,妨碍了压电陶瓷在高频率中的使用。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v7-1-3 铅基压电陶瓷铅基压电陶瓷 1. 单元系单元系 2. 二元系二元系 3. 三元系三元系v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v单元系单元系1. PbTiO3l 钙钛矿结构铁电体,钙钛矿结构铁电体,Tc高,高,490。l 各向异性大(各向异性大(c/a1.063),晶界能高,难以制备致密、),晶界能高,难以制备致密、机械强度高的陶瓷。机械强度
18、高的陶瓷。l 矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极化,但抗电强度下降,易击穿。化,但抗电强度下降,易击穿。l 掺入少量稀土、掺入少量稀土、NiO、MnO2等,可促进烧结。等,可促进烧结。l 晶粒大小与机电耦合系数晶粒大小与机电耦合系数k有关。有关。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷vBaTiO3系与系与PbTiO3系压电陶瓷系压电陶瓷v 自从自从19421943年之间美、日、苏联学者各自独立年之间美、日、苏联学者各自独立发现发现BaTiO3 中存在异常的介电现象,中存在异常的介电现象,1947年又发现预极年又发现预极化后的化后的BaTiO3陶瓷
19、的压电性能,并制成压电元件用于拾陶瓷的压电性能,并制成压电元件用于拾音器、换能器;音器、换能器;v 二战期间,二战期间, BaTiO3成功用于水声及电声换能器、成功用于水声及电声换能器、通讯滤波器上,在很长的一段时间内,通讯滤波器上,在很长的一段时间内,BaTiO3陶瓷是主陶瓷是主要的压电陶瓷材料,但目前其作用范围在不断缩小。要的压电陶瓷材料,但目前其作用范围在不断缩小。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷BaTiO3陶瓷陶瓷 PbTiO3陶瓷陶瓷 工作温区窄(工作温区窄(Tc=120) 工作温区宽(工作温区宽(Tc=490) 易极化易极化 难极化难极化 热稳定性差热稳定性差 热稳定性好热稳定性好 =
20、1900 =190 Kp =0.354 Kp =0.095 d33=191(10-12库库/牛牛) d33=56(10-12库库/牛牛) g33=11.4(10-3伏伏米米/牛牛) g33=33(10-3伏伏米米/牛牛) 工艺性好工艺性好 工艺性差(粉化,工艺性差(粉化,PbO易挥发)易挥发) v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 比较可知,比较可知,BaTiO3压电性好,工艺性好,但致命压电性好,工艺性好,但致命弱点是工作温区窄(弱点是工作温区窄(0120),且在工作温区内各压),且在工作温区内各压电性能随温度变化很大,电性能随温度变化很大,图图5-1(P115)。因此相比之。因此相比之下,下,P
21、bTiO3的工作温度区宽,性能更稳定。的工作温度区宽,性能更稳定。v 另外,另外,PbTiO3陶瓷的介电系数小,热释电系数大,陶瓷的介电系数小,热释电系数大,接近于接近于60C/cm2K,居里点高,抗辐射性能好,还是,居里点高,抗辐射性能好,还是一种相当理想的热释电探测器材料。一种相当理想的热释电探测器材料。v v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷2. PbNb2O6l 钨青铜结构钨青铜结构l Tc高(高(570)l 压电系数的各向异性大,压电系数的各向异性大,d33/d3110l 机械品质因素特别低(机械品质因素特别低(Q11)v主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等主要用于超声缺陷检测、人体
22、超身诊断及水听器等v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v 人们在人们在1953年起开始试制成功年起开始试制成功PbZrO3-PbTiO3二元二元系固溶体压电陶瓷,其各项压电性能和温度稳定性等均系固溶体压电陶瓷,其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷,因此得到了广泛的压电陶瓷,因此得到了广泛的应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。v 下面主要介绍二元系压电陶瓷下面主要介绍二元系压电陶瓷PZT系陶瓷。系陶瓷。v铅基二元系压电陶瓷铅基二元系压电陶瓷v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷vPbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构系陶瓷的相结构v
23、 PbZrO3和和PbTiO3的结构特点比较:的结构特点比较:v PbZrO3 PbTiO3v结构结构 钙钛矿结构钙钛矿结构 钙钛矿结构钙钛矿结构vTc (立方顺电立方顺电) 230(正交晶系)(正交晶系) 490v类别类别 反铁电体反铁电体 铁电体铁电体vTc c/a1(1.063)vTc 立方顺电相立方顺电相vPbZrO3和和PbTiO3的结构相同,的结构相同,Zr4+与与Ti4+的半径相近,故两者可形成无的半径相近,故两者可形成无限固溶体,可表示为限固溶体,可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3,简称,简称PZT瓷。瓷。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v1. PbZrO3-PbTiO3系压电陶
24、瓷v(1)PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷va. PZT瓷的低温相图瓷的低温相图v见见P120图图5-8v由图可知:由图可知:v(1)随随Zr:Ti 变化,居里点几乎线形地从变化,居里点几乎线形地从235变到变到490 ,Tc线以上为立方顺电相,无压电效应。线以上为立方顺电相,无压电效应。v 7-1 压电陶瓷压电陶瓷v(2) Tc线以下,线以下,Zr:Ti=53:47附近有一同质异晶相界线附近有一同质异晶相界线(准同型相界线),富钛侧为四方铁电相(准同型相界线),富钛侧为四方铁电相Ft,富锆一侧为,富锆一侧为高温三方(三角)铁电相高温三方(三角)铁电相FR(
展开阅读全文