压电陶瓷精品课件.ppt
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1、 PTC特性体现出哪种效应?特性体现出哪种效应?其与什么性质相关?其与什么性质相关?PTC特性体现出哪种效应?其与什么性特性体现出哪种效应?其与什么性质相关?质相关?答:答:PTC特性体现出界面效应。特性体现出界面效应。PTC特性与材料与晶界有关,即铁电性特性与材料与晶界有关,即铁电性相关。相关。第六章第六章 压电陶瓷压电陶瓷 一、压电陶瓷一、压电陶瓷二、透明电光陶瓷二、透明电光陶瓷 一、压电陶瓷一、压电陶瓷1.1 概述概述1.2 主要参数主要参数1.3 铅基压电陶瓷铅基压电陶瓷1.4 无铅压电陶瓷无铅压电陶瓷1.1 概述概述l 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
2、成比例的介质极化,同时在晶体的两端面出现正负电荷。l 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。l 正、逆压电效应统称为压电效应。l 晶体的这种性质称为晶体的压电性。l 具有压电效应的材料称为压电材料l 压电材料能实现机电能量的相互转换。压电效应的可逆性压电效应的可逆性l 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。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
3、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。(a)晶体外形;晶体外形;(b)切割方向;切割方向;(c)晶片晶片zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)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,表面束缚电荷变化,晶体对外显示电性压电效应。在压电陶瓷上加上
4、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。石英晶体压电模型石英晶体压电模型(a)不受力时;不受力时;(b)x轴方向受力轴方向受力(纵向压电效应纵向压电效应);(c)y轴方向受力轴方向受力(横向压电效应横向压电效应)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P0,才能对外显示压电效应。陶瓷的压电
5、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。陶瓷的预极化示意图陶瓷的预极化示意图l 分类:压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料l 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l压电陶瓷的晶体结构:钙钛矿结构钨青铜型结构铌酸锂型结构铋层状结构 钙钛矿结构ABO3:A:1,2,3。如Na,K,Ba2+,La3+B:5,4,3。如Nb5+,Ti4+,Fe3+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
6、: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)面上的投影铌酸锂型结构 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轴出现电偶极矩顺电相铁电相铋层状结构Bi4Ti3O12 小 高品质因数 高稳定性,高居里温度 对称性低 由于存在(Bi2O2)2+的滑移面(001),且熔点低,易于在压力作用下发生大的蠕变。烧结温度低:10501200 烧结性能好,易得到致密烧结体 v高,10111013cm 晶粒均匀,大小为510m 抗电强度高:约45KV/mm1.
7、2 主要参数主要参数 作为介电材料,可用介电系数,介电损耗tg,绝缘电阻率和抗电强度Eb等表征。作为压电材料,还必须补充一些参数:l 压电系数dl 压电电压系数gl 机电耦合系数kl 机械品质因素Qml 频率系数N1.2.1 压电系数压电系数d 单位机械应力T所产生的极化强度P:(C/N)或:单位电场强度V/x所产生的应变x/x:(m/V)l 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)。l 反映应力(应变)和电场(电位移)间的关系TPd/VxxVxxd/)/()/(1.2.2 压电电压系数压电电压系数gl 单位应力T所产生
8、的电场强度E;或单位电荷所产生的形变。(Vm/N)l 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。TEg/1.2.3 机电耦合系数机电耦合系数k 或l k是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。它与材料的压电系数d、介电系数和弹性常数等有关,是一个比较综合的参数。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、声波等形式损失或向周围介质传播,因而k总是小于1的。l 不同材料的k值不同;同种材料由于振动方式不同,k值也不同。输入的电能电能转变所得的机械能2k输入的机械能机械能
9、转变所得电能2kl 常用的有横向机电耦合系数k31、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kp(或称径向机电耦合系数kr)。Z极化方向极化方向振动方向振动方向柱状振子柱状振子K33(纵向机电耦合系数)(纵向机电耦合系数)Z振动方向振动方向Y条状振子条状振子K31(横向机电耦合系数)(横向机电耦合系数)X极化方向极化方向Z极化方向极化方向圆片振子圆片振子Kp(平面机电耦合系数)(平面机电耦合系数)Kr(径向机电耦合系数)(径向机电耦合系数)1.2.4 机械品质因素机械品质因素Qml 逆压电效应使压电材料产生形变,形变又会产生电信号,如果压电元件上加的交流信号频率与元件
10、(振子)的固有振动频率fT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(转换成热能)。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入Qm这个参数,Qm 越高,能量的损耗就越小。Qm 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)振动的机械品质因素。l 在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中,要求高的Qm 值。耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ1.2.5 频率系数频率系数Nl 压电振子的谐振频率f0与振动方向上线度的乘积。只与材料性质相关,而与尺寸因素无关。l 铁电单晶具有较高的压电效应,但工艺复杂,不易加工成各种形状,因而不易大量生产,加工成本也很
11、高。l 铁电陶瓷易加工生产,成本低,且能采用掺杂改性。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,电损耗较大,妨碍了压电陶瓷在高频率中的使用。LfN01.3 铅基压电陶瓷铅基压电陶瓷1.3.1 单元系单元系(1)PbTiO3:l 钙钛矿结构铁电体,Tc高,490;l 各向异性大(c/a1.063),晶界能高,难以制备致密、机械强度高的陶瓷;l 矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极化,但抗电强度下降,易击穿。l 掺入少量稀土、NiO、MnO2等,可促进烧结;l 晶粒大小与机电耦合系数k有关。l BaTiO3压电性好,工艺性好,但致命弱点是工作温区窄(0120),且各压电性
12、能随温度变化很大。PbTiO3的工作温度区宽,性能更稳定。l PbTiO3陶瓷的介电系数小,热释电系数大,接近于60C/cm2K,居里点高,抗辐射性能好,是相当理想的热释电探测器材料。BaTiO3系与系与PbTiO3系压电陶瓷比较系压电陶瓷比较BaTiO3陶瓷陶瓷PbTiO3陶瓷陶瓷工作温区窄(Tc=120)工作温区宽(Tc=490)易极化难极化热稳定性差热稳定性好=1900=190平面机电耦合系数Kp=0.354平面机电耦合系数Kp=0.095纵向压电系数d33=191(10-12库/牛)纵向压电系数d33=56(10-12库/牛)纵向压电电压系数g33=11.4(10-3伏米/牛)纵向压电
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