压电陶瓷资料

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,压电陶瓷资料,压电陶瓷的构造 大多数压电陶瓷的构造为ABO3，为钙钛矿构造。压电陶瓷构造,在居里点以上，钙钛矿构造为有对称中心的立方晶系，钛离子处于氧八面体中心，中间孔隙大于钛离子的体积，钛离子可以偏离中心位置，但几率一样，不显示极性，在居里点以下，晶型转变为四方晶系，C轴拉长或变短，钛离子偏离中心，形成正负电荷中心不重合，晶胞产生极化，称为极化，晶体内出现的自发极化方向一致的小区域叫做电畴。相临个电畴之间的相交角只能是180或90度。电畴相交的界面叫做畴壁。电畴示意图,铁电性 极化随外电场转动的性质叫做铁电性。当外电场变化时，可以使极化强度减少到零和使极化转向，压电陶瓷都具有这一性质。未经极化的压电陶瓷由于各电畴的自发极化方向不一致，互相抵消，宏观极化强度为零。极化后各电畴的自发极化在一定程度上按外电场的方向排列，内部极化强度不为零，撤销电场后，大多数电畴还沿原来电场方向排列，剩余极化不为零。在陶瓷的上下外表出现电荷.,正压电效应 逆压电效应 压电陶瓷的压电效应,电滞回线：电滞回线是铁电体的特征曲线。,P,S,饱和极化强度，,P,R,剩余极化强度。电滞回线,1 相关概念,1极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷挪动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。,2压电效应：在没有对称中心的晶体上施加一个机械力压力、张力或切向力时，那么发生与应力成比例的介质极化，在晶体外表的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去后，电荷会消失，这种现象称为正压电效应。当在晶体上施加一个外电场引起极化时，晶体会发生形变，且形变大小与电场成正比，假设撤除电场，那么晶体又恢复原状，这一现象称为逆压电效应。正、逆效应统称为压电效应。,3压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。,人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进展极化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。,2 压电陶瓷的性能参数,1弹性常数(elastic coefficient),弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的物理量。,它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比。设应力为T，加于截面积为A的压电陶瓷上单位：N/m2，其所产生的应变为S无量纲，那么根据胡克定律，应力与应变之间有如下关系：,S=sT T=cS,式中s为弹性顺度常数，单位为m2/N；c为弹性劲度常数，单位为N/m2。,2机械品质因素(mechanical quality factor),它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因素越大，能量的损耗越小。,3压电性、压电常数与压电方程,压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷，其所产生的电荷与施加的应力成比例。,压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、压电应力常数以及压电劲度常数等。,反映压电陶瓷的弹性变量即应力、应变和电学变量(即电场、电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。,4机电耦合系数(electromechanical coupling factor),机电耦合系数K是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。,机电耦合系数可定义为：,电能转变为机械能 机械能转变为电能,K2=-K2=-,输入电能 输入机械能,3 压电陶瓷的消费工艺以PZT陶瓷为例,典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅,下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。,压电陶瓷消费的主要工艺流程：,配料球磨过滤、枯燥预烧二次球磨过滤、枯燥过筛成型排塑烧结精修上电极烧银极化测试。,1 原料处理,原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如 Pb3O4或PbO、ZrO2和TiO2等，假设纯度低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料那么纯度要求相对低些。,以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进展煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。,2预烧,经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进展预烧，其目的是为了使化学反响充分进展。,实验说明，假设预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度假设偏低，烧成温度无论如何进步或延长保温时间，也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。,预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀室温400、固相反响400750、收缩750850 和晶粒生长800900 以上。,3成型和排塑,简单形状的制品通过模压法成型，不均匀截面的条形制品可以通过挤压法成型，薄板用流延法和轧膜法成型，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型。,成型之前需参加粘合剂常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90下搅拌溶化。,成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。通常排塑温度800850，保温时间1小时左右。,4烧结,烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。假设超过烧结范围的上限，那么由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。,烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。,5上电极,烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料银浆涂于制品外表，并在600800下烧结，使银浆中的氧化银复原为银，并烧渗到陶瓷外表，形成结实结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进展人工极化处理。,6极化,压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好的压电陶瓷电畴无规那么取向，故整体不呈压电性，只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显出压电性。,进步极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于极化的充分进展。,4 压电陶瓷的应用,压电陶瓷的压电性是居里兄弟于1880年在单晶体上发现的。,1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种缺点如易溶于水，未能得到广泛应用。,第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。,1954年美国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3 PZT固溶体系统，它使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。,目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为压电振子和压电换能器两个方面。前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。后者主要是将一种能量形式转成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。,压电陶瓷的应用领域,应用领域,举 例,电 源,雷达，电视显像管，高压电源，点火装置,信号转换,振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器,发射接收,超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗,信号处理,滤波器，放大器，振荡器，混频器,传感计测,加速度计，压力计，角速度计，红外探测器,存贮显示,电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器,其 它,非线性元件，压电继电器等,压电陶瓷应用一,压电陶瓷应用二,5 压电超声换能器的应用与开展,5.1 引言,超声换能器是实现声能与电能互相转换的部件。,最早的超声换能器是P.郎之万(P.Langevin)在1917年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。,1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。,到了50年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起。,目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来获得了很多成就。,本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和开展。,5.2 压电超声换能器的种类,压电超声换能器的种类很多：,按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；,按振动形式分为伸缩振动、弯曲振动、改变振动等；,按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等；,按压电转换方式分为发射型(电-声转换)、接收型(声-电转换)、发射-接收复合型等。,5.3 压电换能器的应用,压电换能器的应用非常广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等；按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等；按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。,1压电陶瓷变压器,压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入局部用正弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出局部的机械藕合到输出局部，输出局部再通过正压电效应产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。,与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且构造简单、便于制作、易批量消费，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。,2超声马达,超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。,超声马达体积小，力矩大，分辨率高，构造简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精细机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。,(3)超声波清洗,超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反响，到达清洗物件的目的。,清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10500 kHz，一般多为2050kHz。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。,超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。,(4)超声焊接,超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。,超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，进步了消费效率，有经济、快速和可靠等特点。,(5)超声加工,把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具一样的形状。超声工具使工件外表的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而到达去除材料的目的。,超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时，也可起到进步精度和效率的作用。,6超声减肥,利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，到达减肥