压电陶瓷

压电陶瓷

学院: 长春理工大学光电信息学院班级: 无机非金属材料工程

姓名: 张瑞君

学号: 0914119

日期: 2012-9-24

压电陶瓷

引言

压电陶瓷能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性。近几年关于压电陶瓷的研究越来越受人们的关注，同时也发现了它的许多优越性，但是也存在缺陷。比如含铅压电陶瓷中就含有对环境有污染的铅，而环境是人类生存和发展的基础。因此，保护环境和发展环境协调型材料及制备技术是二十一世纪材料科学发展的必然趋势。

1.1压电陶瓷

压电陶瓷的概念，所谓压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷,属于无机非金属材料。它是指把氧化物混合(氧化锆、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这是一种具有压电效应的材料。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动。可以用来探寻水下鱼群的位置和形状对金属进行无损探伤以及超声清洗、超声医疗还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁对塑料甚至金属进行加工。

1.2 压电陶瓷的分类以及特性

压电材料是指一种具有压电效应的材料其按物理结构分类：石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸锂、硫酸锂、钽酸锂、锗酸锂、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸铅、锆钛酸铅、偏铌酸铅钡、铌镁-锆-钛酸铅、铌钴-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅、铌锑-锆-钛酸铅铌锰-锆-钛酸铅、压电高分子聚合物、聚偏二氟乙烯、PVDF 复合压电材料等压电材料。

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、

不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

1.3压电效应

所谓的压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。正压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应 但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

1.4 压电陶瓷的发展历史以及工艺

1808年Pierr和Jacques居里兄弟发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881年Lippman应用热力学原理预言了逆压电效应，居里兄弟很快以实验给予了证实。1894年Voigt指出仅有无对称中心的二十重点群的晶体才有可能具有压电效应。实用化方面在早期有两个奠基性的工作：第一、1916年Langevin发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器；第二、1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械频率附近特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器。后者则为压电材料在通信技术和频率控制等方面的应用奠定了基础。压电陶瓷的早期研究主要是针对罗息盐和石英晶体进行的。20世纪03年代发现了铁电KDP(磷酸二氢钾)及与之同型的一系列晶体，但压电材料及其应用取得划

陶瓷。发现时代的进展开始于第二次世界大战中美国、日本和苏联分别独自发现的BaTiO

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陶瓷压电性经历了三个基本阶段。

和理解BaTiO

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工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。

一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。

二、混合磨细：目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。

三、预烧：目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。

四、二次细磨：目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。

五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。

六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。

七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。

八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。

九、外形加工：将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。

十一、高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。

十二、老化测试：陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。

1.5 压电陶瓷的应用

压电陶瓷以其独特的性能在商业、军事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。可以毫不夸张地说压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落。如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器、电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器、银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦查、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器 医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪，家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，收录机要用压电微音器、压电喇叭、照相机和录像机要用压电马达等。压电陶瓷由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。一般可将这些应用分成两大类即作为压电振子使用。作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数Qm，Qm表示振动转换时材料内部能量消耗的程度做为换能器使用时要求有较高的机械耦合系数Kp(Kp(=机械转变为电能/输入机械能或Kp( =电能转变为机械能/输入电能)和较大的相对介电常数εr。特别是压电陶瓷点火器，这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡，陶瓷的压电效应进行点火但这种材料着火率不高，噪音大。1962年开始试用锆钛酸铅，PZT压电陶瓷制作点火器这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以及军事方面，用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。