§9.5 压电陶瓷 压电陶瓷(piezoelectric ceramics) §9.5 压电陶瓷 压电陶瓷(piezoelectric ceramics) ——具有压电效应的陶瓷材料,即能进行机械能与电能相互转变的陶瓷; 制备方便,成本低廉,发展迅速,一类重要的功能陶瓷材料; 目前,压电陶瓷在工程方面的应用,甚至超过了压电晶体。
一、压电效应及陶瓷压电机制 1. 压电效应 正压电效应:应力 晶体 产生电荷 逆压电效应:电压 晶体 应力(应变) 正压电效应:应力 晶体 产生电荷 逆压电效应:电压 晶体 应力(应变) 2. 压电性与晶体结构 压电效应的本质:机械作用(应力与应变)引起晶体介质的极化,从而导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷——不具有对称中心的晶体才具有压电性。 32种点群中,不具有对称中心的有21种;除43外,20种有压电效应;10种极性晶体,有唯一极轴,除具有压电性外,还具有热电性;铁电体也是一种极性晶体,属于热电体,因而也是压电体。 压电效应
3. 压电陶瓷 陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互抵消; 人工极化:经直流强电场极化处理过的铁电陶瓷,使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电场的方向,铁电晶体所固有的压电效应就会在陶瓷材料上呈现出来。因此,压电陶瓷实际上也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压电陶瓷。
表征参数 机电偶合系数K or: K值越大,材料的压电耦合效应越强。 除此之外,还有压电系数d、机械品质因素Q、 弹性系数S和频率常数N等。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。 主晶相结构 钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。 目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。 其它几种重要的压电陶瓷包括 PbTiO3- PbZrO3; Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ; Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ; Na0.5K0.5NbO3 ;Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ; BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3)等。
二、生产工艺 1. 组成 BaTiO3陶瓷是最早发现的铁电陶瓷,也是第一个进入实用的压电陶瓷; T<Tm时,BaTiO3有立方四方斜方三方等晶相, 5~120℃是稳定的四方相; 图9.5.1 BaTiO3陶瓷的 介电温度特性 T↘~120℃时,立方四方,并伴随自发极化,介电常数出现峰值,因而具有很好的压电性能; 在靠近0℃时存在的四方斜方相转变,其压电性和介电性都会发生显著的改变;
超声换能器陶瓷材料配方 一般陶瓷的工作温度范围为-55℃~+85℃,总希望在较宽的工作范围内不存在相变点; 为了移动相变点,出现了一系列以BaTiO3为基的固溶体,如BaTiO3—CaTiO3系统,BaTiO3—PbTiO3系统等。 超声换能器陶瓷材料配方 BaTiO3 92 % mol 88 % mol CaTiO3 8% mol 4 % mol PbTiO3 8 % mol 外加MnO2 0.2 % wt 居里温度 120℃ 160℃ 第二相变点 -45℃ -50℃
2. 生产工艺 锆钛酸铅(PbTiO3—PbZrO3,缩写PZT)陶瓷: Tc>300℃, 在-50℃~300℃范围内无相变点,压电常数比BaTiO3大二倍多,因此,它是目前品种最多,产量最大,应用最为广泛的压电陶瓷。 2. 生产工艺 配料研磨预烧再研磨成型烧成极化等,以PZT为例对几个比较关键的过程进行讲解: (1)预烧 作用:各组分反应,合成Pb(ZrTi)O3原料,分为四个阶段: 第一阶段:T<650℃,有一吸热峰,Pb3O4脱氧;
第三阶段:840℃,出现液相,835℃时电阻最低,形成锆钛酸铅固溶体,850℃反应基本完成; 第四阶段:840℃以后, PZT固溶体晶形 第二阶段:650℃~756℃,发生化学反应: 第三阶段:840℃,出现液相,835℃时电阻最低,形成锆钛酸铅固溶体,850℃反应基本完成; 第四阶段:840℃以后, PZT固溶体晶形 逐渐趋于完整。 其中: 650℃ 保温1~2h, 生成PbTiO3 850℃ 保温2h, 生成Pb(ZrTi)O3 预烧:T太低,反应不完全; T太高,PbO大量挥发, 难以粉碎,活性↘。 为防止Ti4+还原,ε↘,氧化气氛烧结。 图9.5.2 PZT合成时的热效应与相变化
(2)烧成 A. 组分中活性离子多,则易烧结; 为满足不同使用要求,可在PZT中添加某些元素进行改性 B.添加物 软性添加物:La, Nd, Bi, Nb等,可形成阳离子空位,加速离子扩散,促进烧结; 硬性添加物:Fe, Co, Ni, Mn等,产生O2-空位,晶胞收缩,降低离子扩散速度,难于烧结; 产生液相的添加物:如MgO,使T烧结↘,ΔT ↘ ,加速烧结过程; 晶格产生畸变的添加物:促进烧结过程的进行; 限制晶粒长大的晶界分凝添加物:如Fe3+、Al3+、 Nb3+、Cr3+、Ni3+等,能改善陶瓷的机械性能;
(3)极化 C. 烧结气氛 氧化气氛中进行,同时要控制PbO的挥发,尽量设法降低烧成温度和避免在高温阶段保温时间过长,以防止晶粒长大; 为了防止PbO挥发,常采取的措施是:密封,把样品埋入熟粉料中;加气氛片(PbZrO3片);或在配料中适当使Pb过量。 (3)极化 直流极化 交直流混合极化 (先交流、后直流,人工老化处理,提高性能稳定性)
影响极化的因素: 极化电场: E>Ec(矫顽场) 2~3Ec, 太大会引起击穿; 极化温度:T↗,电畴取向容易,极化效果好, 极化时间:t ↗,效果好,几~几十 min; PZT极化条件: E: 3~5MV/m T: 100~105℃ t: 热油:5min,冷油:20min
三、压电陶瓷的应用 1880~1940:压电晶体; 上世纪40年代中期:BaTiO3压电陶瓷问世; 由于压电陶瓷具有突出优点,包括: 制造方便,设备简单,成本低廉,不受尺寸大小限制,可以在任意方向极化; 通过调节组分可以在很宽范围改变材料的性能,以适应各种需要; 不溶于水,耐热耐湿; 可以很方便地制成各种复杂的形状等。 近年来压电陶瓷的应用不断发展,在航天、通讯、超声技术、精密测量、红外技术等领域均得到广泛应用,是当代高技术中的一种重要的功能材料。
应用举例: 陶瓷压电变压器,在雷达、电视显象管、阴极射线管、激光管、负离子发生器、静电复印机等高压电源和压电点火、引爆装置等应用; 振荡器、压电音叉、压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源; 探测地质构造、油井固实程度、无损探伤和测厚、催化反应、超声衍射、疾病诊断等各种工业用的超声器件; 水下导航定位、通信和探测的声纳、超声探测、鱼群探测及传声器等水声换能器; 可在信号处理中作滤波器,放大器,表面波导等器件;传感与测量领域作加速度计,压力计,角速度计,位移发生器等。
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